南京工业大学晁凌锋、夏英东、陈永华《AM》|纳米尺度胶体工程用于最小化可扩展钙钛矿太阳能电池的效率损失

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钙钛矿太阳能电池（钙钛矿太阳能电池）已实现显著的高功率转换效率（PCEs），接近硅基太阳能电池的性能。然而，在保持高效率的同时扩大钙钛矿太阳能电池的规模仍是一个重大挑战。本文报道了一种通过甲酸根阴离子稳定的胶体实现可扩展钙钛矿太阳能电池的效率损失可忽略不计。甲酸根阴离子增强了胶体表面的电荷密度，加强了静电排斥力并防止颗粒聚集。这显著将胶体尺寸减小至约30纳米，并促进均匀成核，使得在常温空气中从小面积到微型模块尺寸的高质量钙钛矿薄膜可扩展制备成为可能。因此，钙钛矿太阳能电池实现了24.30%（1 cm²）和24.10%（12.6 cm²，5 cm × 5 cm微型模块）的PCEs，且在扩大规模时效率损失可忽略不计。据我们所知，这是微型模块中报道的最高效率。最重要的是，封装的微型模块在常温空气中最大功率点跟踪运行1000小时后仍保持其初始效率的95%。

图1 (a) 钙离子(Fa−)、铵离子(Ac−)、磷离子(P−)的化学结构与静电势谱图像。(b) 不同离子盐对钙钛矿前驱体溶液的动态光散射(DLS)分析。(c) 不同离子盐对钙钛矿前驱体溶液的Zeta电位分析。(d) 对照组及FAFa、FAAc、FAP溶液中钙钛矿胶体的冷冻透射电镜(Cryo-TEM)图像。(e) 离子盐添加前后钙钛矿胶体双电层电荷分布与胶体状态示意图。

图2 (a) 分别为添加FAFa、(b) FAAc和(c) FAP的碘化铅/FAI/ DMF 前驱体溶液的反射性分子动力学模拟快照，其中红色、紫色、黄色、蓝色珠子分别表示Pb2+离子、FA+离子、I−离子、 DMF 溶剂分子，黑色珠子代表添加的Fa−或Ac−或P−离子。为突出离子组分的结构， DMF 分子的尺寸被缩小。(d) 离子组分Si (q)的静态结构因子。(e) 对照体系中每个添加阴离子（Fa−、Ac−或P−）或I−阴离子周围 DMF 分子的径向分布函数。(f) 各组分的扩散系数(D)。(g) I−离子周围的径向分布函数及(h) 每个Pb2+离子周围的 DMF 分子。添加阴离子（Fa−、Ac−或P−）周围的邻近阳离子（Pb2+或FA+）数量。

图3 (a)钙钛矿从湿膜到固膜的成核与结晶过程显微图像。(b)对照组与FAFa基钙钛矿薄膜的SEM横截面图像。(c)对照组与(d)FAFa基钙钛矿薄膜 α 相形成的原位 GIWAXS 表征。(e)1D GIWAXS (100)峰强度的钙钛矿薄膜面内方向 μ - GIWAXS 扫描。

图4 钙钛矿薄膜的光电特性。(a) 对照组和FAFa基钙钛矿薄膜的PL及(d) TRPL 衰减光谱。(b) 对照组和(c) FAFa基钙钛矿薄膜的PL映射。(e) 对照组和(f) FAFa基钙钛矿薄膜的 TRPL 映射。(钙钛矿薄膜的PL映射和 TRPL 映射均沉积在氧化锡基底上。(g) 通过CE测量提取的对照组和(h) FAFa器件在可变光强度(0.001–1)下的载流子密度。(i) 完整器件的TPC曲线。

图5 (a)对照组和基于FAFa的大尺寸器件（1 cm²）的J-V曲线。(b)对照组和基于FAFa的PSMs（5 cm × 5 cm，有效面积12.6 cm²）的J-V曲线。(c)对照组和基于FAFa的微型模块的PCE统计。(d)近期文献和我们工作中从大尺寸器件到模块的效率退化总结（详细信息列于表S4中）。(e)对照组和(f)基于FAFa的PCE分布（基板尺寸为5 × 5 cm²，PCE测试的有效面积为0.05 cm²）。(g)未封装的钙钛矿太阳能电池在N2填充手套箱中白色LED灯（AM 1.5G照明）下的对照组和基于FAFa器件的操作稳定性。(h)封装的PSMs在白色LED灯（AM 1.5G照明）下的对照组和基于FAFa器件的操作稳定性，环境空气（30℃和55% RH）。