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穩(wěn)定高度配位中間相,環(huán)境溫度升高至28度達24至25%PCE

發(fā)表時間:2025/2/11 14:43:07

研究成就與看點

這項研究發(fā)現(xiàn)并利用1,3-二甲基-3,4,5,6-四氫-2(1H)-嘧啶酮 (DMPU) 作為溶劑添加劑,能夠在較寬的環(huán)境溫度范圍內穩(wěn)定鈣鈦礦薄膜的制備過程,并顯著提高太陽能電池的性能與可靠性。

中間態(tài)穩(wěn)定性:研究發(fā)現(xiàn),DMPU可以與 PbI2形成穩(wěn)定的中間態(tài),有效抑制高溫下晶核的聚集,從而減少裂紋的產生。

擴展制程窗口:傳統(tǒng)上,高質量的鈣鈦礦薄膜需要在嚴格的溫度控制下制備。本研究通過引入DMPU,將環(huán)境溫度制程窗口從 22 °C 擴展至 28 °C,甚至在 30 °C 時仍能保持一定的效能。

高效率器件:在擴展的溫度范圍內,研究團隊成功制備出功率轉換效率 (PCE) 高達 24-25%的鈣鈦礦太陽能電池

深入機理分析:通過原位X射線衍射 (XRD) 和光學測量技術,深入探討了DMPU在鈣鈦礦成核和結晶過程中的作用機理,為進一步優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的制備提供了理論基礎。

解決產業(yè)痛點:這項研究直接針對了鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模生產中對嚴格溫度控制的依賴問題,為降低生產成本和提高產量提供了新的解決方案。


研究團隊

這項研究由來自多所大學的研究人員共同完成,包括:香港城市大學Alex K.-Y. Jen曾世榮(Sai Wing Tsang);香港理工大學吳韜(Tom Wu),其中,Tom Wu Sai Wing Tsang 為通訊作者,Yunfan WangZhuoqiong Zhang為共同第一作者。


研究背景

對制程條件的敏感性:鈣鈦礦薄膜的質量非常容易受到制程條件的影響,包括溶劑、反溶劑、添加劑、環(huán)境濕度和溫度等。即使是微小的環(huán)境條件波動,也可能導致制備出的器件性能不佳,這限制了鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模商業(yè)化應用。

環(huán)境溫度效應:過去的研究已發(fā)現(xiàn),環(huán)境溫度(TA)對鈣鈦礦薄膜的質量明顯的影響。在較高的環(huán)境溫度下,鈣鈦礦薄膜容易出現(xiàn)裂紋,導致器件性能下降。

傳統(tǒng)解決方案的局限性:為了解決環(huán)境溫度帶來的問題,傳統(tǒng)的方法是在溫度控制的環(huán)境 (如手套箱) 中進行制備,并將溫度控制在 ≤20 °C。這種方法雖然有效,但增加了生產成本,降低了市場競爭力。

裂紋形成機理不明:過去的研究認為,裂紋是晶體快速生長過程中應力釋放所致。然而,這項研究的前期工作發(fā)現(xiàn),裂紋在旋涂后立即形成,而不是在晶體生長過程中產生,且裂紋區(qū)域仍然存在相當多的材料,而非應力釋放造成的空隙。這暗示裂紋的形成與晶粒的不均勻分布有關。

中間態(tài)作用不明確:過去的研究普遍認為,中間態(tài)通過暫時消耗前驅體離子來調節(jié)初始成核過程。然而,中間態(tài)在空間上分離晶核,從而減輕熱活化晶核聚集的作用,尚未被充分認識。


解決方案

引入DMPU作為溶劑添加劑:研究團隊選擇DMPU作為溶劑添加劑,主要考慮其較高的Gutmann 供體數(shù) (DN) 和沸點(TB),使其能夠與 PbI2 形成更穩(wěn)定的中間態(tài)。DMPU偶極矩(5.36 D)也高于 DMF DMSO,表示它與 PbI2 的鍵結傾向更強。

調控成核動力學:通過DMPUPbI2的強烈鍵結,形成穩(wěn)定的中間態(tài),抑制鈣鈦礦前驅體離子的協(xié)調和成核過程,有助于在旋涂過程中均勻分散晶核,防止過度聚集。

空間分離晶核:DMPU形成的均勻分布的中間態(tài),可以作為物理屏障,減少熱驅動的晶核碰撞,防止晶核聚集,避免溶質耗盡和裂紋形成

穩(wěn)定控制結晶過程:DMPU的高沸點使其在旋涂和退火過程中緩慢揮發(fā),有助于 從中間態(tài)中穩(wěn)定釋放 Pb2+ I- 離子,從而實現(xiàn)有序可控的結晶,最終形成高質量的薄膜。

原位監(jiān)測技術:研究團隊采用 原位 X 射線衍射 (XRD) 和光學測量技術,實時監(jiān)測鈣鈦礦的成核和結晶過程,深入了解DMPU的作用機制,并分析不同溫度條件下的相演變。


實驗過程與步驟

1. 材料準備與薄膜制備:

配制前驅液: CsIMAI、FAIPbI2 MACl 溶于混合溶劑中。

原始組 (pristine) 使用 DMF DMSO (41) 的混合溶劑。

目標組 (target) 使用 DMF、DMSO DMPU(81.30.7) 的混合溶劑。

旋涂成膜:將前驅液旋涂在玻璃基板上,轉速為 5000 rpm,時間 40 。

滴入反溶劑:在旋涂結束前 15 ,滴入 氯苯 (CB) 作為反溶劑。

熱退火:立即將基板在 110°C 下退火 30 分鐘。

2. 器件制作:

制作電洞傳輸層 (HTL) ITO 玻璃基板上旋涂 Me-2PACz,并在 100°C 下退火 10 分鐘。

旋涂鈣鈦礦層:將鈣鈦礦前驅液旋涂在 HTL 上,并滴入反溶劑 CB。

熱退火:將基板在 110°C 下退火 30 分鐘。

鈍化處理:旋涂 PEAI 并在 100°C 下退火 10 分鐘。

制作電子傳輸層 (ETL)依序旋涂 PCBM BCP

蒸鍍電極:最后蒸鍍 (Ag) 電極。

3. 原位監(jiān)測與薄膜表征:

原位XRD分析:在旋涂和退火初期 (0-5 ) ,利用原位XRD監(jiān)測薄膜的 相變化;分析不同溶劑和溫度下的中間態(tài)和α的峰值變化。

原位光學分析:使用自建系統(tǒng),監(jiān)測旋涂和退火過程中,薄膜的光致發(fā)光(PL)吸收變化;分析不同溶劑下的PL強度、峰值位置、晶核和晶體比例變化;分析吸收邊緣的紅移吸收強度變化。

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研究成果表征

電流-電壓 (J-V) 曲線:

研究使用Enlitech IVS-KA6000 sunshine simulator,設備使用標準硅太陽能電池校準,在不同環(huán)境溫度(22°C 28°C)下,使用太陽光模擬器測量了原始組和目標組鈣鈦礦太陽能電池的 J-V 曲線。

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推薦使用光焱科技Enlitech SS-X,作為模擬光源,搭配KA6000量測軟件,精準量測光伏參數(shù)


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6b 顯示了在不同環(huán)境溫度(22°C 28°C)下,原始組(pristine)和目標組(target)鈣鈦礦太陽能電池的 J-V 曲線圖。這個圖表直接展示了DMPU添加劑對于提升高溫下電池效能的影響。從圖中可以明顯看出,在 28°C 時,原始組的 J-V 曲線明顯下降,代表其效能降低,而目標組的曲線則保持相對較高的水平,顯示其效能穩(wěn)定。

S1 詳細列出了在 22°C 28°C 環(huán)境溫度下,原始組和目標組太陽能電池的各項光伏參數(shù)。

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S2 提供了在 28°C 環(huán)境溫度下,原始組和目標組太陽能電池在正向和反向掃描下的各項光伏參數(shù)。

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穩(wěn)定功率輸出 (SPO)

使用太陽光模擬器測量了目標組器件在最大功率點 (MPP) 下的穩(wěn)定功率輸出

目標組在 1 個太陽光照射下的 SPO 24.19 mW/cm2,與 J-V 曲線測得的 PCE 相符。

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6d 顯示了在 28°C 下,目標組器件的 SPO 結果。

外量子效率 (EQE)

研究中使用Enlitech的光譜響應測量系統(tǒng)QER3-011測量了器件的 EQE 光譜,計算 EQE 積分電流密度 (JSC),發(fā)現(xiàn)與 J-V 曲線測得的短路電流密度 (JSC) 相符

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推薦使用Enltiech QE-R太陽能電池量子效率光學儀,高精度的QE/IPCE測試系統(tǒng)


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6c S25 顯示在不同溫度下,原始組和目標組器件的 EQE 光譜

次帶隙外量子效率 (S-EQE)分析了次帶隙區(qū)域缺陷。結果顯示,目標組器件在 1.5 0.8 eV 的整個次帶隙區(qū)域的 S-EQE 信號都明顯較低,表明目標組薄膜中的缺陷較少。對比原始組和目標組的 S-EQE 光譜,發(fā)現(xiàn)在 1.1 eV 1.4 eV 處存在明顯的缺陷峰,分別對應于 PbI 的間隙和反位缺陷,以及 FAI 的間隙.( 6eS27)

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其他表征:

穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光 (PL)測量薄膜的 PL 強度,目標組的 PL 強度提高了 4 倍,表明非輻射復合減少。(5i)

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推薦使用光焱科技LQ-100X-PL 光致發(fā)光與發(fā)光量子光學檢測儀,10個太陽光強度的PLQY系統(tǒng)


時間解析光致發(fā)光 (TRPL)測量薄膜的 PL 衰減時間。( 5l)

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原子力顯微鏡 (AFM)測量薄膜的粗糙度,顯示出DMPU可以提升表面平整度。( 5d, e 5f )

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掃描電子顯微鏡 (SEM)觀察薄膜表面形貌,發(fā)現(xiàn)原始組在 28°C 下存在大量裂紋,而目標組表面平整光滑。( 5b, c)

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開爾文探針力顯微鏡 (KPFM)測量薄膜的電勢分布,目標組的電勢分布更加均勻。( 5g, h)

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X 射線衍射 (XRD)分析薄膜的結晶性,發(fā)現(xiàn)原始組的結晶性會隨著溫度升高而下降,而目標組的結晶性則相對穩(wěn)定( S20)

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紫外-可見光譜 (UV-Vis)分析薄膜的吸收光譜。( S21)

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電化學阻抗譜 (EIS)分析器件的缺陷,目標組的缺陷密度較低。( S29c)

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暗態(tài) J-V 曲線:分析器件的泄漏電流,目標組的泄漏電流較低 ( S29d)

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開路電壓-光強度依賴性圖 (VOC-light dependent plots)分析器件的陷阱密度。( S29e)

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空間電荷限制電流 (SCLC)測量陷阱密度。( S29a,b)

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動態(tài)光散射 (DLS)用于分析前驅體中的聚集體尺寸。( S3)

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熱重分析 (TGA)分析溶劑的揮發(fā)速率。( S5)

分析溶劑的揮發(fā)速率。( S5)

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研究結論

透過在鈣鈦礦前驅物中添加DMPU(1,3-二甲基-3,4,5,6-四氫-2(1H)-嘧啶酮) 作為溶劑添加劑,可以形成穩(wěn)定的中間態(tài),進而有效地提升鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 在高環(huán)境溫度下的效能和穩(wěn)定性。

DMPU形成穩(wěn)定的中間態(tài):DMPU作為劉易斯堿,能與 PbI2 有效配位,形成穩(wěn)定的中間加合物,此中間態(tài)在 22 28 °C 的溫度范圍內皆穩(wěn)定存在。相較于傳統(tǒng)溶劑,DMPU-PbI2 加合物具有更高的結合能。
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抑制晶核聚集與裂紋形成DMPU配位的中間態(tài)能推遲晶核生成速度,并作為物理屏障,防止晶核在熱驅動下碰撞聚集,減少溶質耗盡和裂紋形成。
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擴展制程溫度窗口DMPU的使用可將鈣鈦礦太陽能電池的制程溫度窗口從 22 °C 擴展至 28 °C仍能維持 24% 以上 的功率轉換效率 (PCE)。即使在30 °C 的環(huán)境溫度下,PCE 仍可達 21.8%。
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提升電池效能與可靠性: 28 °C 環(huán)境溫度下,DMPU處理組的PCE21.34%提升至 24.32%,開路電壓(VOC)1.09 V提高到1.17 V,填充因子(FF)80.26%提高到83.65%。DMPU處理組的薄膜表面更均勻,缺陷密度顯著降低。組件的穩(wěn)定性也顯著提升,經封裝處理后,在空氣中連續(xù)運作 200 小時后仍能維持初始PCE90%以上。

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機制解析:

原位XRD結果顯示,DMPU處理組的中間態(tài)更穩(wěn)定,不易受溫度影響。

原位光學測量結果顯示,DMPU可有效推遲成核和結晶過程,并抑制晶核聚集。

DMPU通過與 PbI2 形成穩(wěn)定的中間態(tài),控制前驅離子的釋放和晶核的成長,實現(xiàn)可控的結晶過程。

實際應用:使用DMPU的電池在不同溫度下的效能和保存壽命都明顯優(yōu)于沒有使用DMPU的電池




文獻參考自ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03119

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