X射线显示无铅钙钛矿太阳能电池板材料的原位晶体生长

 

    铅基钙钛矿是用于太阳能电池板生产的非常有前途的材料。它们可以将光有效地转化为电能,但是它们也存在一些主要缺点:最有效的材料不是很稳定,而铅是有毒的元素。荷兰格罗宁根大学的科学家们正在研究铅基钙钛矿的替代品。显着影响这些太阳能电池效率的两个因素是形成薄膜的能力和太阳能电池中材料的结构。因此,研究无铅钙钛矿晶体是如何形成的以及晶体结构如何影响太阳能电池的功能非常重要。研究结果331日发表在《Advanced Functional Materials》杂志上 。

    基于混合钙钛矿的光伏电池于2009年首次推出,并迅速变得几乎与标准硅太阳能电池一样高效。这些材料具有非常独特的晶体结构,称为钙钛矿结构。在理想的立方晶胞中,阴离子围绕中心阳离子形成八面体,而立方体的角被其他较大的阳离子占据。不同的离子可用于产生不同的钙钛矿。

    使用以铅为中心阳离子的钙钛矿可获得太阳能电池的最佳结果。由于这种金属是有毒的,因此已开发出锡基替代品,例如, FASnI 3是一种很有前途的材料,但是,它缺乏某些铅基材料的稳定性。有研究人员尝试将3-D FASnI 3晶体与包含有机阳离子苯乙基铵(PEA)的层状材料混合。助理教授Giuseppe Portale说:我的同事Maria Loi教授和她的研究团队表明,添加少量这种PEA会产生更稳定和有效的材料。但是,大量添加会降低光伏效率。

    这也是Portale加入进来的原因。光物理和光电学教授Maria Loi对钙钛矿进行了很长时间的研究,Portale开发了一种X射线衍射技术,使他能够在溶液自旋涂层中实时研究薄膜的形成。在实验室规模上,钙钛矿薄膜通常通过旋涂制成,该过程中将前体溶液输送到快速旋转的基材上。随着溶剂的蒸发晶体生长。在法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射设施(ESRF)的光束线BM26B-DUBBLE上,Portale调查了钙钛矿型成膜过程中发生的情况。

    Portale解释说:我们基于异位研究的最初想法是,定向晶体从基底表面向上生长。但是,原位结果却相反:晶体在空气/溶液界面开始生长。在他的实验中,他使用3-D FASnI 3以及不同量的2-D PEASnI 4。在纯3-D钙钛矿中,晶体开始在表面形成,但在溶液的大部分中也开始形成。但是,添加少量的2-D材料会抑制整体结晶,并且晶体仅从界面生长。

“ PEA分子在钙钛矿的前体溶液中起着积极的作用,通过在晶体边缘的配位来稳定取向的3-D状晶体的生长。此外,PEA分子可防止体相中的形核,因此仅发生晶体生长在空气/溶剂界面。” Portale解释说。所得的膜由排列在底部的3-D状钙钛矿晶体和少量的2-D状钙钛矿组成。添加低浓度的2-D材料会生成稳定且有效的光伏材料,而在这种高浓度的2-D材料下效率会急剧下降。

     PortaleLoi进行的实验可以解释这一观察结果:类似2D的钙钛矿位于基底/薄膜界面。将2D材料的含量增加到一定量以上会导致形成扩展的2 - D有机层,作为绝缘体,会对器件的效率产生不利影响。研究的结论是,必须防止这种绝缘层的形成,以实现高效,稳定的锡基钙钛矿。下一步就是通过与溶剂、温度或特定的钙钛矿 /基材相互作用来实现这一目标,这些相互作用可以破坏厚绝缘层的形成。

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