10001102_反溶剂中加入4-叔丁基吡啶获得高效

反溶剂中加入 4-叔丁基吡啶获得高效 稳定的钙钛矿太阳能电池 吴雅罕 1，潘旭 2，戴松元 12 （1 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室， 北京 102206; 2. 中国科学院合肥物质科学研究院 应用技术研究所中国科学院光伏与 节能材料重点实验室， 合肥 230031） 摘要：我们通过在反溶剂中加入 tBP，形成了一种高质量的 CH3NH3PbI3 薄膜。为了进一步证明 tBP 对结晶过程的影响，在原位光学显微镜下，用 XRD 证明了 tBP 通过形成中间相 CH3NH3I- PbI2-DMSO-tBP 的生成，显著地抑制了钙钛矿的成核。此外， PL 和 TRPL 证明，反溶剂加入 tBP 的方法比前驱液中的 tBP 方法更容易获得高质量的薄膜。经推导的接触角表明，通过加入 tBP，可以很容易地提高钙钛矿的亲水性。通过 tBP 处理，研制出了 17.41%的最高功率转换效 率，该高效装置在室温下 30 天内可以保持超过 89%的初始 PCE。 关键词：钙钛矿太阳电池，4-叔丁基吡啶，抑制成核, 研究背景与内容 近年来，钙钛矿的形貌控制对得到高效稳定钙钛矿电池起着至关重要的作用。为了控制钙钛矿 的结晶问题，提出了多种方法，如溶剂工程、成分调制、添加添加剂以及其他几种技术，其中 添加添加剂被认为是一种有效的简便方法[1-4]。添加剂的概念经常被应用于有机卤化的卤化钙 太阳能电池中，以控制其层的形态。Gratzel[5]等人在钙钛矿前体溶液中加入了水，以培养高品 质的钙钛矿膜。Prak[6]等人使用了二甲基亚砜 (DMSO)，形成了 Pb2+的中间产物，以达到高质 量的高质量的高光电性能。Jen[7]等人证实，1，8-二碘辛烷(DIO)的添加剂促进了晶核的形成， 并在结晶过程中改变了晶体生长的动力学，使其更加光滑，可见在前体中加入添加剂可以显著 增加钙钛矿薄膜的质量。尽管获得了较低的缺陷和较大颗粒的光滑性的薄膜，但由于活性层中 高浓度的添加剂分布的缺陷，使得 PSCs 的存在受到了限制，这可能会对钙钛矿层的电子和空 穴传输产生不利的影响。因此，为了避免这些问题，我们采用了在反溶剂中添加添加剂的方法。 通过在反溶剂中加入 tBP，形成了一种梯度异质结结构，提高了其效率和稳定性。一方面，tBP 通过形成一种中间产物可以抑制钙钛矿的成核使我们得到光滑又大颗粒的钙钛矿薄膜，从而使 设备具有更好的性能。 研究结果与讨论 1.1 不同退火方式的钙钛矿薄膜形貌及光学性能研究 在图 1a 和 1b 中，分别阐述了用反溶剂制备或不带 tBP 的钙钛矿薄膜的表面形态。由于反 溶剂的使用，在这两块膜中都很难观察到任何针孔。与其他添加剂类似，我们希望通过使 用 tBP 在反溶剂中得到高品质的钙钛矿薄膜。 图 1 (a) CH3NH3PbI3 有 tBP (b) CH3NH3PbI3 的 SEM 图. 1.2 原位加热观测不同退火方式得到的钙钛矿薄膜 20 m20 m无 tBP tP a b c de f g h 2. 510520530540 CH3NPbI3-tB,无 CH3NPbI3,无度a.u度(°) K 图 2 原位加热显微镜图分别在 25 oC, 60 oC, 80 oC,和 100 oC (a-d) CH3NH3PbI3 有 tBP 和 (e-h) CH3NH3PbI3. (i) CH3NH3PbI3 有 tBP (j) CH3NH3PbI3 的成核和生长演示图. (k) CH 3NH3PbI3 有 tBP 和 CH3NH3PbI3 未退火 XRD 图. . 为了进一步了解 tBP 对结晶过程的影响，进行了原位光学显微镜的测量。该测量方法在结 晶的不同阶段提供了清晰的图像。我们可以观察到，这两种薄膜在室温下都是透明的( 图 2a 和 2e)，当它在基板上涂上涂层的时候。随着它的上升到 60 摄氏度，一些褐色的核开始出现在基 板上(图 2b 和 2f)。然而，有 tBP 处理的核数比没有处理的数目要少得多。这可以归因于中间相 的形成，可以抑制 CH3NH3PbI3 的成核，为了确定中间阶段的存在，我们对两种并未退火样品 进行 XRD 测试，如图 2k 所示。与 tBP 处理的 CH3NH3PbI3 的新样品出现了许多新的高峰，这 些峰并没有在先前的文献中报道过。因此，我们推测形成了一种新的化合物(CH 3NH3I-PbI2- DMSO-tBPx)。随着温度的升高，核开始生长，如图 2 和 2g。在最后一个阶段，CH 3NH3PbI3 晶 体在 100 摄氏度(图 2d 和 2h)中不断生长并形成连续的低颗粒薄膜。然而，这两张图片却截然不 同。采用 tBP 治疗的影片出现了较大的颗粒尺寸。图 2i 和 2j 描述了上述过程的机理。 3. 结论 总之，我们通过在反溶剂中加入 tBP，形成了一种高质量的 CH3NH3PbI3 薄膜。为了进一步 证明 tBP 对结晶过程的影响，在原位光学显微镜下，用 XRD 证明了 tBP 通过形成中间相 CH3NH3I-PbI2-DMSO-tBP 的生成，显著地抑制了钙钛矿的成核。此外， PL 和 TRPL 证明，反 溶剂加入 tBP 的方法比前驱液中的 tBP 方法更容易获得高质量的薄膜。经推导的接触角表明， 通过加入 tBP，可以很容易地提高钙钛矿的亲水性。通过 tBP 处理，研制出了 17.41%的最高功 率转换效率，该高效装置在室温下 30 天内可以保持超过 89%的初始 PCE 4. 参考文献 (1) Wu, W. R.; Jeng, U. S.; Su, C. J.; Wei, K. H.; Su, M. S.; Chiu, M. Y.; Chen, C. Y.; Su, W. B.; Su, C. H.; Su, A. C., Competition between fullerene aggregation and poly(3-hexylthiophene) crystallization upon annealing of bulk heterojunction solar cells. Acs Nano 2011, 5 (8), 6233. (2) Ji, S. M.; Takacs, C. J.; Cho, S.; Coffin, R. C.; Kim, H.; Bazan, G. C.; Heeger, A. J., Effect of Processing Additive on the Nanomorphology of a Bulk Heterojunction Material†. Nano Letters 2010, 10 (3), 4005. (4) Wu, C. G.; Chiang, C. H.; Han, H. C., Manipulating the horizontal morphology and vertical distribution of the active layer in BHJ-PSC with a multi-functional solid organic additive. Journal of Materials Chemistry A 2014, 2 (15), 5295-5303. (5) Wu, C. G.; Chiang, C. H.; Tseng, Z. L.; Nazeeruddin, M. K.; Hagfeldt, A.; Grätzel, M., High efficiency stable inverted perovskite solar cells without current hysteresis. Energy Kim, H. S.; Park, N. G., Lewis Acid-Base Adduct Approach for High Efficiency Perovskite Solar Cells. Accounts of Chemical Research 2016, 49 (2), 311-319. (7) Liang, P. W.; Liao, C. Y.; Chueh, C. C.; Zuo, F.; Williams, S. T.; Xin, X. K.; Lin, J.; Jen, A. K., Additive Enhanced Crystallization of Solution-Processed Perovskite for Highly Efficient Planar-Heterojunction Solar Cells. Advanced Materials 2014, 26 (22), 3748-54. 通讯作者简介 姓名：潘旭 主要研究方向：主要从事新型薄膜太阳电池方面的研究 Email: xpan@rntek.cas.cn 通信地址：中国安徽合肥长江西路 2221 号 邮政编码：230031 姓名：戴松元 主要研究方向：新型薄膜太阳电池 Email: sydai@ipp.ac.cn 通信地址：北京市昌平区北农路 2 号 邮政编码：102206