摘要

FAPbI3憑借其出色的光伏特性，成為鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）光吸收層的理想候選材料。然而，由于競爭性光活性δ相的形成能較低，穩(wěn)定光活性α-FAPbI3仍然是一個挑戰(zhàn)。 華中科技大學尤帥、北航張淵和國家納米科學中心周惠瓊團隊在Nano Letters上發(fā)表的研究成果，采用四乙基三溴化鉛 (TEPPbBr3) 單晶作為PbI2外延生長的模板，成功地穩(wěn)定了α-FAPbI3。TEPPbBr3的策略性使用優(yōu)化了中間體的演化和鈣鈦礦的結晶動力學，從而產生高質量且相穩(wěn)定的α-FAPbI3薄膜。研究人員通過使用光焱科技的太陽光模擬器 (SS-F5)、量子效率測試系統(tǒng) (QE-R) 和電致發(fā)光量子效率測試系統(tǒng) (REPS) 等設備，對器件的光電性能進行了深入分析。結果表明，TEPPbBr3改性鈣鈦礦表現出優(yōu)化的載流子動力學，實現了25.13%的效率和0.34 V的小開路電壓損失。此外，目標器件在最大功率點 (MPP) 跟蹤下超過1000 小時仍保持其初始效率的90%，展現出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

研究背景

近年來，鈣鈦礦太陽能電池由于其高效率、低成本和易于制造等優(yōu)點而備受關注。FAPbI3鈣鈦礦材料因其更窄的帶隙和更高的理論效率而被認為是下一代高效PSCs的理想光吸收層材料。然而，FAPbI3容易形成非光活性的δ相，導致器件性能和穩(wěn)定性下降。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員致力于開發(fā)各種方法來穩(wěn)定α-FAPbI3相。

研究方法

該研究采用TEPPbBr3單晶作為PbI2外延生長的模板，以調控α-FAPbI3鈣鈦礦薄膜的結晶過程。研究人員通過X射線衍射 (XRD)、掃描電子顯微鏡 (SEM) 和紫外-可見吸收光譜等手段對薄膜的結構、形貌和光學性質進行了表征。此外，他們還使用光焱科技的太陽光模擬器 (SS-F5) 對器件的電流密度-電壓 (J-V) 特性進行了測試，并使用量子效率測試系統(tǒng) 獲得了器件的外部量子效率 (EQE) 曲線。為了進一步探究器件的光物理性質，研究人員利用光焱科技的鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統(tǒng)  (REPS) 對器件的電致發(fā)光 (EL) 光譜進行了分析。

SI 參數圖13_反向掃描和正向掃描下 (A) 對照器件和 (B) 目標器件的 J-V 曲線

SI 參數圖16_對照器件和目標器件在不同注入電壓下的 EL 光譜。

研究結果與討論

研究結果表明，TEPPbBr3單晶的引入有效地調控了PbI2的結晶過程，促進了α-FAPbI3的形成并抑制了δ相的產生。TEPPbBr3改性鈣鈦礦薄膜表現出更大的晶粒尺寸、更低的缺陷密度和更優(yōu)異的載流子傳輸性能。使用光焱科技的太陽光模擬器 (SS-F5) 進行的J-V測試結果顯示，基于TEPPbBr3改性鈣鈦礦的器件實現了25.13%的效率，開路電壓 (Voc) 達到1.19 V，短路電流密度 (Jsc) 為25.85 mA/cm2，填充因子 (FF) 為81.69%。此外，使用人員亦可以選擇通過光焱科技的量子效率測試系統(tǒng) (QE-R) 獲得的EQE曲線表明，器件在整個可見光范圍內都具有較高的量子效率，進一步證實了器件的優(yōu)異性能。

為了研究器件的長期穩(wěn)定性，研究人員在最大功率點 (MPP) 跟蹤下對器件進行了1000小時的光照測試。結果表明，目標器件在1000小時后仍保持其初始效率的90%，展現出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。此外，通過光焱科技的鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統(tǒng) (REPS) 對器件的EL光譜進行分析，研究人員發(fā)現TEPPbBr3改性鈣鈦礦的非輻射復合損失顯著降低，進一步解釋了器件效率和穩(wěn)定性提升的原因。

結論與展望

該研究通過使用TEPPbBr3單晶作為PbI2外延生長的模板，成功地穩(wěn)定了α-FAPbI3鈣鈦礦相，并實現了高效穩(wěn)定的PSCs。研究結果表明，TEPPbBr3的引入有效地調控了鈣鈦礦薄膜的結晶過程，優(yōu)化了器件的載流子動力學，從而顯著提高了器件的效率和穩(wěn)定性。這項工作為制備高效穩(wěn)定的FAPbI3基PSCs提供了一條有前景的途徑，并為鈣鈦礦太陽能電池的進一步發(fā)展奠定了基礎。

使用設備

本研究使用光焱科技SS-X系列太陽光模擬器以及REPS 鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統(tǒng)

原文出處: Nano Letter 2024.4月