钙钛矿材料及光伏器件的全干法制备

【作者】 邹德春；

【机构】 北京大学化学与分子工程学院；

【摘要】 有机/无机杂化钙钛矿材料在光伏研究领域受到了广泛的关注。钙钛矿型太阳能电池的最高光电转换效率已超过25%。然而,在常用的溶液法制备过程中,在溶剂的使用和组分调节方面存在着许多的问题。例如,溶剂的大量使用带来了工艺复杂、成本增加、环境污染等潜在问题;另外,钙钛矿材料的成分难以精确控制,掺杂结构的形成机理很难确定等。本研究从一个新的角度出发,拟构建一个从固相合成钙钛矿到精确控制其成分和带隙,再到无溶剂制备钙钛矿太阳能电池的技术方法。混合卤素钙钛矿(MHPs)由于其卤素组成的可调节性而显示出更高的稳定性和良好的带隙可调性。我们通过无溶剂的机械化学合成(MCS)方法制备了MHPs[1],其中的卤素成分得到了精确的控制,克服了通过溶液法难以制备卤素组成连续变化的MHPs的难题,同时保持材料自身的特性,并成功地抑制了相分离。紫外-可见吸收和X射线衍射结果表明得到的是纯相MHPs。例如,对于MAPb(IxBr1-x)3 (0≤x≤1),随着碘的比例(x)的增加,材料的晶型从立方相逐渐转变为四方相,同时实现了带隙的可调性。这些结果表明,通过固相合成制备MHPs的方法可控性强,可以非常有效的调控材料的光电性能。基于固相合成制备了一系列纯相混合阳离子/阴离子(FAPbI3)x(MAPbBr3)1–x(0≤x≤1)杂化钙钛矿材料[2],通过精细且可控的双组分调控工程实现了α-FAPbI3钙钛矿的稳定,以及光学带隙/能级的精确调控。基于固相合成制备了纯相K+掺杂的混合阳离子/阴离子钙钛矿,解决了溶液法制备过程中KI溶解性较差和相分离的问题。研究表明,与溶液法相比,基于少量K+掺杂的(KPbI3)0.05(FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.05钙钛矿太阳能电池表现出更好的光伏性能和更低的I–V滞后性,其最大光电转化效率可达16.7%,连续输出120s没有衰减,稳定性更好。更多还原