高效太阳能电池的配体锚定诱导定向晶体生长

窄带隙 (≈1.2 eV) Pb-Sn 合金钙钛矿太阳能电池是一种有前途的全钙钛矿串联器件底部组件电池，有望提供比单结太阳能电池的理论Shockley-Queisser 极限更高的效率。密度泛函理论 (DFT) 研究表明，具有 (100) 取向的 Pb-Sn 钙钛矿薄膜会显着降低陷阱密度，这是钙钛矿器件性能的关键品质因数。  

来自陕西师范大学的学者将烷基二胺作为成核剂锚定在表面上，以调节 Pb-Sn 钙钛矿的生长，使其优先沿着 (100) 取向进行。观察到二胺阳离子不仅在成核阶段有效地诱导了晶体生长，但也保留在晶体表面，最终钝化生成的钙钛矿薄膜。结果表明，正如 DFT 研究所预测的，二胺基薄膜显示出具有优异光电性能的 (100) 择优取向。因此，实现了 20.03% 的最高功率转换效率，是此类设备中最高的效率之一。这些发现为理论上设计表面成核以诱导钙钛矿材料优先生长以获得更好的光电性能提供了一种可行的策略。

图1. 立方 FASnI 3模型的各种晶面 a-d) 和立方 MASnI 3模型的 e-h)表面上陷阱态的 DFT 计算。

图2. a) XRD图谱。b) XRD图案的峰强度比。c) 带/不带 ADI 的 Pb-Sn 合金钙钛矿薄膜的俯视 SEM 图像和 d) AFM 图像。

图3. a) 稳态 PL 光谱，b) 来自 TA 光谱的电荷载流子寿命，以及 c-f) 对照和基于 ADI 的钙钛矿薄膜的 Sn 3d XPS 光谱。

图4. PDA阳离子在钙钛矿薄膜中的作用。a) TOF-SIMS 表征，b) 水接触角测试，和 c) 对照和 PDA 基薄膜的晶体取向示意图。

图5. 铅锡合金太阳能电池的光伏性能。a)具有倒置平面异质结的器件结构。b)有/无 ADI 的 Pb-Sn 合金器件的J-V曲线。c) 控制和基于 PDA 的设备的EQE 谱。d) 基于 PDA 的设备的 MPP 效率。

图6. a) UPS 光谱，b) 基于从 UPS 光谱计算的参数的能级方案，c) C-V曲线，以及 d) 控制和基于 PDA 的设备的 TPV曲线。

图7. 未封装在 a) 空气和 b) N 2（手套箱）中的 Pb-Sn 合金太阳能电池的稳定性。所有器件的J-V曲线均在空气条件下测量。

总之，本文开发了一种由自发表面配体锚定诱导的定向生长策略。根据DFT计算，以(100)-优先取向改善钙钛矿结晶可能是减少陷阱辅助非辐射复合和提高Pb-Sn合金钙钛矿薄膜稳定性的可行方法。通过将 ADI 引入 FA 0.7 MA 0.3 Pb 0.5 Sn 0.5I 3在钙钛矿前驱体溶液中，二胺阳离子可以首先锚定在表面作为具有（100）优先取向的成核剂，然后作为模板调节晶体向下生长，最终作为钝化层留在晶体表面。

结果表明，正如DFT研究所预测的那样，获得了具有优异光电性能的(100)-优选取向薄膜。因此，增强的光电特性转化为超过 20% 的 PCE，同时降低了VOC损失。本文的研究结果为理论上设计表面成核以诱导钙钛矿材料优先生长以获得更好的光电性能提供了一种可行的策略。   





审核编辑：刘清