Solar RRL：自組裝單分子膜包覆：提高鈣鈦礦太陽能電池穩定性的新方法

光電轉換效率、穩定性、製備成本等因素是新型光伏器件技術邁向成熟商業產品過程中需考慮的重要因素。鈣鈦礦太陽能電池作為新型第三代薄膜太陽能技術，其光電轉換效率在短短几年內從3.8%增長到22.7%，因此受到學術及工業界廣泛的研究重視。然而鈣鈦礦太陽能電池較差的穩定性嚴重地限制了其商業化進程。鈣鈦礦太陽能電池由透明導電玻璃、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層以及金屬電極組成。其中鈣鈦礦光吸收層對環境中的濕度、空氣、光熱等及其敏感，空氣中的水分可導致鈣鈦礦不可逆轉的分解，從CH3NH3PbI3轉變為PbI2和揮發性的CH3NH2, HI等產物，對電池器件造成永久性的破壞。此外，工作條件中連續光照和其產生的熱能可加速鈣鈦礦的分解破壞。因此提高鈣鈦礦的穩定性成為研究的重點和熱點。

近期，弗吉尼亞理工大學吳聰聰博士，Prof. Shashank Priya和華中科技大學池波教授團隊開發出一種自組裝製備工藝，對鈣鈦礦晶粒提供分子尺度的包覆，極大地提高了鈣鈦礦薄膜的水、光和熱的穩定性。並且這種工藝採用易揮發乙腈作為製備溶劑，只需一步沉積可製備出高效、穩定的鈣鈦礦薄膜。該研究團隊利用甲胺氣體與CH3NH3PbI3晶體的作用製備出液態二維鈣鈦礦中間體，然後再引入疏水性高分子PMMA的乙腈溶液，PMMA中的氧原子可與液態2D鈣鈦礦中間體發生路易斯酸-鹼作用，形成單分子鍵合；在隨後的沉積過程中，不需任何後處理，隨著甲胺和乙腈的揮發，二維鈣鈦礦中間體自組裝成三維鈣鈦礦晶粒，從而使PMMA單分子層包覆在鈣鈦礦晶界處，形成全方位的保護層。此新型複合鈣鈦礦薄膜在濕度為70%的空氣中儲存31天不發生任何分解，保留原有晶體結構；鈣鈦礦太陽能電池在濕度為50%～70%環境中工作50天後仍保留初始轉換效率的91%。此外，PMMA氧原子的孤對電子可彌補鈣鈦礦晶界處的I-空位的電荷損失，從而達到晶界陷阱鈍化的效果，減小了鈣鈦礦晶體的非輻射複合。相比傳統方法製備的鈣鈦礦太陽能電池，此電池的開路電壓從0.97 V提高到1.14 V，光電轉換效率從12.16%提升到16.32%。

該工作不同於傳統利用鈣鈦礦前驅體溶液製備薄膜，而是利用鈣鈦礦晶體製備二維中間體，再對中間體進行修飾，通過其自組裝過程製備薄膜，可以得到前驅體溶液制膜法無法達到的包覆效果。另外，此製備方法用相對毒性較小，易揮發的乙腈作為溶劑，採用一步沉積法，如擠壓塗布、噴霧、旋塗等，無需任何後期處理可得到高質量穩定的鈣鈦礦薄膜，為高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池的工業化生產提供了一個全新的方法。

該工作近期發表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800052)上作為Front Cover報道。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！