ACS Energy Lett. | DMAI添加剂制备铯基钙钛矿薄膜过程中的化学组分和物相变化

英文原题：Chemical Composition and Phase Evolution in DMAI-Derived Inorganic Perovskite Solar Cells

通讯作者：逄淑平，崔光磊 (中国科学院青岛生物能源与过程研究所)

作者：Meng, Hongguang（孟红光）, Shao, Zhipeng（邵志鹏）, Wang, Li（王莉），Li, Zhipeng（李志鹏）, Liu, Ranran（刘然然）, Fan, Yingping（范颖平）, Cui, Guanglei（崔光磊）, Pang, Shuping（逄淑平）

钙钛矿太阳电池因飞速提升的光电转化效率而成为一种非常具有商业化前景的低成本光伏技术。在众多的卤化物钙钛矿材料体系中，纯无机铯基CsPbI₃钙钛矿太阳电池因不含易挥发的有机组分，低程度的离子迁移以及合适的带隙（~1.73 eV）正在受到广泛关注。在制备高质量钙钛矿薄膜的过程中，二甲胺氢碘酸盐（DMAI）是一种有效的添加剂。目前，DMAI在前驱体溶液中引入方式、剂量优化和成膜作用已经有了相关的研究报道。但是，关于DMAI添加剂在成膜机制和化学机理上的认识仍不够清晰。为了加深对高质量铯基钙钛矿薄膜制备工艺的理解从而设计更加高效可控的成膜方法，DMAI添加剂的具体作用和微观机理仍待进一步的研究。

最近，中国科学院青岛生物能源与过程研究所逄淑平、崔光磊研究员课题组研究了DMAI/CsI/PbI₂前驱体溶液制备的薄膜在热退火过程中化学组分和物相变化。如图1所示，他们通过吸收光谱、XRD和热分析等技术跟踪分析了化学组分变化过程。首先确认DMAPbI₃和Cs₄PbI₆在180 ℃热退火条件下发生固相反应生成混合阳离子钙钛矿DMA_0.15Cs_0.85PbI₃，并存在部分Cs₄PbI₆剩余。进一步加热会导致剩余的Cs₄PbI₆与DMA_0.15Cs_0.85PbI₃继续反应，DMA持续热蒸发生成γ-CsPbI₃。γ-CsPbI₃在180 ℃下为不稳定相，持续退火会进一步相变为热力学稳定的非钙钛矿相δ-CsPbI₃。如图2所示，这种固相反应过程表现出温度依赖性，140 ℃到180 ℃下可以获得稳定的DMA_0.15Cs_0.85PbI₃混合阳离子钙钛矿。而180 ℃到220 ℃之间，反应更容易获得DMA_0.15Cs_0.85PbI₃与γ-CsPbI₃的混合钙钛矿。在350 ℃下可直接生成CsPbI₃钙钛矿。

图1. 热退火过程中的组分和物相变化

图2. 不同反应温度对钙钛矿产物的影响

文章作者进一步研究了混合阳离子钙钛矿DMA_0.15Cs_0.85PbI₃。相比于纯无机γ-CsPbI₃，混合钙钛矿DMA_0.15Cs_0.85PbI₃具有更小的带隙 (1.67 eV)。通过DMA的掺杂，铯基钙钛矿的容忍因子提高，湿度稳定性显著提升。在干燥空气中DMA_0.15Cs_0.85PbI₃可以稳定存在3个月以上而没有明显相变。基于这种混合阳离子钙钛矿DMA_0.15Cs_0.85PbI₃制备的太阳电池最高效率达到15.3%，稳态输出为14.4%，如图3所示。

图3. 器件性能

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Chemical Composition and Phase Evolution in DMAI-Derived Inorganic Perovskite Solar Cells

Hongguang Meng, Zhipeng Shao, Li Wang, Zhipeng Li, Ranran Liu, Yingping Fan, Guanglei Cui*, Shuping Pang*

ACS Energy Lett., 2020, 5, 263-270, DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02272

Publication Date: December 17, 2019

Copyright © 2019 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）