Nano Energy：热蒸发择优取向DMA1-xCsxPbI3钙钛矿太阳能电池

导读

2023年12月2日， Nano Energy在线刊发了华中科技大学光电子器件与三维集成团队题为《Co-evaporated oriented DMA 1-xCs xPbI 3 perovskite films for photovoltaics》的研究论文。论文第一作者为董翀博士生，通讯作者为王亮研究员和陈超副教授。论文第一单位为华中科技大学。

2023年12月2日，Nano Energy在线刊发了华中科技大学光电子器件与三维集成团队题为《Co-evaporated oriented DMA1-xCsxPbI3 perovskite films for photovoltaics》的研究论文。论文第一作者为董翀博士生，通讯作者为王亮研究员和陈超副教授。论文第一单位为华中科技大学。

研究背景

钙钛矿硅叠层太阳能电池的记录效率已达到33.7%，具备广阔的产业化前景，其性能的进一步提高与绒面硅叠层工艺开发息息相关。热蒸发CsPbI3电池是与绒面硅叠层的优选之一，因为其能够与微米级粗糙度的绒面硅高度保形且带隙匹配。我们前期的工作从热力学和动力学的角度分析了共蒸发γ-CsPbI3薄膜的形成和稳定机理，得到了12.75%的效率提升。然而，低温沉积的γ-CsPbI3薄膜晶粒细小且取向随机。有报道表明不同晶面的缺陷类型和浓度不同，因此随机定向的γ-CsPbI3薄膜具有各种缺陷，这对钝化策略提出了更高的要求。此外，虽然小晶粒尺寸稳定了γ-CsPbI3薄膜，但这将导致许多晶界和水分渗透通道，影响热蒸发钙钛矿薄膜的稳定性和器件性能。

为了提高薄膜质量，已有报道采用高温后退火工艺修复晶体畸变和小晶粒，然后快速冷却以保持黑相CsPbI3，获得了16.3%的效率，这也是目前热蒸发CsPbI3太阳能电池的冠军效率。但是，高温过程（＞300℃）会破坏器件的空穴传输层（如PTAA, Spiro-OMeTAD等），不利于制备p-i-n结构的光伏器件；同时，硅太阳能电池（如硅异质结太阳能电池）在高温后退火和快速冷却过程中可能会被损坏。

在溶液法中，大尺寸阳离子掺杂可以产生低维钙钛矿中间体，可以进行取向调节和缺陷抑制，如引入DMACl。对于阳离子掺杂，需要考虑该阳离子是否能参与钙钛矿组成。特别是对于溶液处理CsPbI3薄膜中的DMA+，这种替代有很多讨论，一般认为经过高温退火(> 235℃)或湿度辅助下低温退火(> 170℃)，DMAI能够从钙钛矿薄膜中分解出来，得到纯净的CsPbI3薄膜。而热蒸发过程的相关研究却很少。有报道称PEAI参与共蒸发系统制备薄膜以抑制缺陷和提高光伏效率，但其替代Cs+的可能性以及钙钛矿薄膜的首选取向尚未得到详细讨论。

研究内容及成果

本工作将利用二甲基碘化胺（DMAI）作为第三蒸发源，引入到CsI-PbI2共蒸发体系中，在衬底温度为50℃的条件下，制备了A位杂化DMA1-xCsxPbI3钙钛矿薄膜，该薄膜能将带隙从1.76 eV调节到1.71 eV，更适合于硅叠层光伏。此外，由于低维钙钛矿核诱导了取向成核，三元共蒸发DMA1-xCsxPbI3薄膜表现出了择优取向，并降低了缺陷，提高了薄膜的抗湿性。最终，基于带隙为1.73 eV的DMA0.06Cs0.94PbI3薄膜制备的p-i-n光伏器件，在未进行任何退火处理的情况下，获得了16.10%的效率和1.003 V的开路电压，媲美高温(~ 350℃)制备的热蒸发CsPbI3太阳能电池。该项研究表明，这种原位蒸发铵盐在热蒸发钙钛矿薄膜的结晶和缺陷调控方面具备极大潜力。

图1. DMAI引入前后的共蒸发钙钛矿膜的 (a) XRD谱图和 (b) 稳态PL光谱和紫外-可见吸收光谱。计算得到的共蒸发DMA1-xCsxPbI3钙钛矿的x值与 (c) 钙钛矿晶格的膨胀率 (D) ，(d) CsI蒸发速率的降低值，(e) 带隙之间的关系曲线。(f) 以上三种方法的x值比较。

图2. (a) DMAPbI3薄膜和在DMAPbI3薄膜上制备的DMA0.03Cs0.97PbI3薄膜的XRD图谱。(b) FAI参与的共蒸发钙钛矿膜的XRD谱图。(c) CsI-PbI2和DMAI-CsI-PbI2共蒸发体系的成核和晶体生长过程示意图。

图3. (a) 共蒸发γ-CsPbI3和DMA0.06Cs0.94PbI3钙钛矿膜的SEM图像和 (b) 时间分辨PL衰减曲线。(c) DMA1-xCsxPbI3钙钛矿的容忍因子与x的关系曲线和在~52% RH湿度环境下的共蒸发钙钛矿膜的照片。

图4. (a) 基于共蒸发钙钛矿薄膜的p-i-n光伏器件结构示意图。(b) 共蒸发γ-CsPbI3和DMA1-xCsxPbI3光伏器件的J-V曲线。(c) 共蒸发γ-CsPbI3和DMA0.06Cs0.94PbI3光伏器件的正反扫J-V曲线。(d-g) 共蒸发DMA1-xCsxPbI3钙钛矿光伏器件的四个电学参数的统计分布。

图5.共蒸发γ-CsPbI3和DMA0.06Cs0.94PbI3光伏器件的 (a) 暗态J-V曲线和 (b) EQEEL曲线。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109159

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