有机共轭卤素铵盐辅助刮涂22%效率的甲眯基钙钛矿太阳电池

如今，钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经超过了大部分薄膜电池。为尽快实现商业化，目前迫切需要解决的问题是如何实现大面积制备高效稳定的器件。当前，刮涂法制备效率超过20％的钙钛矿太阳能电池通常使用带隙欠佳的MAPbI₃活性层。相比之下，具有甲脒（FA）阳离子的合金钙钛矿带隙更小，具有更大的潜力进一步提高器件性能。但是，FA合金钙钛矿显示出低的相稳定性和高的湿度敏感性。

针对以上现状，北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松和吴武强等人在钙钛矿前躯体中掺入0.83 mol%的氯化苯乙胺（PEACl）。PEACl可以调控钙钛矿的成核生长，稳定黑色FA基钙钛矿相，得到结晶度高且相纯的FA合金钙钛矿薄膜。同时，它能够钝化表面和晶界的缺陷，增加湿度稳定性。最终获得目前基于刮涂法制备钙钛矿太阳电池最高的光电转化效率22.0%，电压达到1.18 V，电压损失仅为0.33 V。

该工作采用与大面积制备兼容的热刮涂法制备钙钛矿薄膜，直接加入少量PEACl进入前驱体溶液中，经过热刮涂和退火后，得到高质量的钙钛矿薄膜。其次，作者通过XRD表征对比，发现同类的有机共轭卤素如PEABr、PEAI、PEACl中，PEACl对于抑制黄相非钙钛矿杂质的形成最为有效。此外，修饰后的XRD谱图表现出更强XRD衍射峰强度，表明修饰后的薄膜结晶度更高，且还可以诱导钙钛矿晶粒的择优取向生长。PEACl的引入可以增加基底和钙钛矿前驱体溶液的相互作用，促进非均相成核，提高钙钛矿与底层PTAA的接触亲和力从而降低界面能，促进（100）取向晶核的形成，最终导致晶粒倾向于沿着（100）方向生长。PEA⁺离子还可以填补钙钛矿表面或晶界的空位缺陷，也能够直接钝化未配位的卤素离子。此外，作者还对PEA基团稳定黑相FA基钙钛矿的机理深入解析：（1）平衡表面与晶界的电荷；（2）PEA占据A位离子，或与I离子发生氢键作用，同时通过相邻分子间的π-π相互作用诱导双轴应力。两者相互协同作用能够有效降低表面能，从而稳定黑色的α-相FA基钙钛矿。

得益于纯黑色相且高结晶度的FA基钙钛矿薄膜以及非常强的的缺陷钝化效果，简单的PEACl修饰将光电转化效率由18.2%提高到22%。这是目前报道刮涂法制备钙钛矿太阳电池的最高效率。特别地，电压提升了60 mv，开路电压达到了1.18 V。在一个太阳光下，稳态输出达到了21.8%。该添加剂策略也显示出了良好的重现性，93%以上的器件效率达到了20.5%以上。此外，器件在一个太阳的持续照射下连续工作500h后，依然保持初始的96%以上的效率。

小结

作者在FA基合金钙钛矿前驱体溶液中掺入少量的PEACl，可以有效提高相纯度和结晶度，以及钝化缺陷和促进界面电荷传输。基于刮涂法制备的钙钛矿太阳能电池获得高达22%的效率，并且具有良好的工作稳定性。这项工作提供了结合组分工程、添加剂工程和分子调控策略制备高质量窄带隙钙钛矿薄膜以及提高器件效率和稳定性的新思路。

这一成果近期发表在国际顶级期刊Advanced Materials 上。

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Blading Phase‐Pure Formamidinium‐Alloyed Perovskites for High‐Efficiency Solar Cells with Low Photovoltage Deficit and Improved Stability

Wu‐Qiang Wu, Peter N. Rudd, Qi Wang, Zhibin Yang, Jinsong Huang

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000995

作者介绍

吴武强，师从澳大利亚工程院院士程一兵教授，钙钛矿材料与器件领域知名专家黄劲松教授和澳大利亚桂冠学者王连洲教授。近五年来，主要从事新型半导体纳米材料的溶液法合成、分子设计和微纳结构调控，高性能光电器件(染料/量子点敏化太阳电池和钙钛矿太阳电池)的制备。国际首创“分子掺杂”策略用于刮涂法制备无电荷传输层高效钙钛矿电池，开发了廉价的多功能分子调控/修饰材料用于高效缺陷钝化。目前已发表 SCI 收录论文 60 篇，其中以第一作者或者通讯作者在 Nat. Commun., Sci. Adv., Chem. Soc. Rev.，J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res. , Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 和 Nano Energy等期刊上发表 SCI 收录论文 40 篇，其中有 8 篇文章入选 ESI 高引用论文。

黄劲松，现任美国北卡罗莱纳大学教堂山分校Louis D. Rubin, Jr. 杰出教授。于2007年获得加州大学洛杉矶分校材料科学与工程博士学位。其后在美国Agiltron公司先后以研究科学家、资深研究科学家身份工作2 年。于2009 年就职于内布拉斯加大学林肯分校，2014年提升副教授，2016年提升教授。他于2017年加入美国北卡罗莱纳大学教堂山分校。黄劲松教授在有机薄膜太阳能电池（有机-无机铅卤化物钙钛矿太阳能电池）、光电探测器领域取得了举世瞩目的突出科研成绩。迄今他在学术期刊上发表论文200余篇、授权美国专利30余项、撰写1本专著和8本专著章节。近五年以通讯作者身份发表 Science 3篇 ，Nature子刊Nature Materials 、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Communications 近50篇，以及 Science Advance、Advanced Materials、Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials近100篇。多篇论文被Nature Materials作为重点介绍，或作为杂志封面文章推荐。所发论文引用次数超过40000次，h因子为92，并自从2015年连续5年被选为全球高被引科学家（材料方向）（Highly Cited Researcher）。