10002116_铵盐对准二维钙钛矿在高湿度下稳定性的影响

铵盐对准二维钙钛矿在高湿度下稳定性的影响 郑海英 1,2，潘旭 *,1，戴松元 *,3 1 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 230088 2 中国科学技术大学，合肥 230026 3 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206 通讯作者简介：潘旭，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事钙钛矿太阳电池以及电致发光等方面的研究。E- mail：xpan@rntek.cas.cn 摘要：本文采用苯甲胺等不同疏水性的碘化铵盐，制备了四种准二维钙钛矿材料。基于苯甲铵盐 的准二维钙钛矿太阳电池表现了优越的性能和 17.40%的效率。更为重要的是，由于二维钙钛矿 材料的层状疏水性结构，使四种准二维钙钛矿薄膜和电池表现出了超高的湿度稳定性，在 80% 的高湿度下放置 500 小时性能下降少。研究发现准二维钙钛矿材料的湿度稳定性取决于加入铵 盐的疏水性能，铵盐的疏水性越强，获得的准二维钙钛矿就具有越高的抗湿度能力。以上 4 种 材料中苯甲铵盐具有最高的疏水性，得到的准二维钙钛矿材料具有更高的湿度稳定性。 关键词：铵盐；湿度稳定性；疏水性；钙钛矿太阳电池；准二维钙钛矿材料 1. 研究背景与内容 以钙钛矿型有机金属卤化物为光吸收材料的钙钛矿太阳电池（PSCs）是薄膜太阳电池的最 新发展，短短几年，光电转换效率已经超过了 22%，备受世界瞩目。作为钙钛矿太阳电池的光 活性层，钙钛矿材料的性质直接影响这电池的光电转换性能和稳定性。但是目前钙钛矿太阳电 池的稳定性还是限制其进一步发展的重要原因，因此其制备高效稳定的钙钛矿太阳电池是迫切 需要的。近期，由于高的湿度抵抗力，二维钙钛矿受到了广泛关注，但是其效率往往却比较低。 2. 研究结果与讨论 针对二维钙钛矿太阳电池稳定性好和效率低的矛盾问题，我们采用苯甲胺、二甲胺、丙二 胺、丁二胺的碘化铵盐为加入材料，基于通式(A) 2(FA)n−1PbnI3n+1 和(A)(FA) n−1PbnI3n+1 (n=9)制备 了四种不同的准二维钙钛矿材料。实验结果显示四种准二维钙钛矿材料不仅具有很高的三维钙 钛矿优越的晶体结构，同时，2D GIWAXS 中分别出现在 8.66°、9.14°、7.38°和 7.20°附近新的 衍射峰，显示了二维钙钛矿结构的存在，印证了它们的准二维结构。由于加入的铵盐性能和结 构的差异，使得到的准二维钙钛矿的表面形貌产生巨大变化，UV-Vis 吸收和稳态荧光曲线表现 出了不同程度的蓝移和吸收强度。然而，由于苯甲胺具有较大的尺寸，因此苯甲胺准二维钙钛 矿的蓝移最少，吸收强度最高，这与它更好的晶体结构和平整的薄膜形貌密切相关。 图 1 四种准 2D 钙钛矿薄膜的（a）2D GIWAXS 数据， （b）表面 SEM 形貌图， （c ）UV-Vis 吸 收光谱图和（d）归一化的稳态荧光（PL）光谱图。 基于四种准二维钙钛矿材料，我们制备得到了四种准二维钙钛矿太阳电池并研究了它们的 光伏性能，结果四种准二维钙钛矿电池的效率都较常规钙钛矿有所下降，但是其中基于苯甲铵 盐的准二维钙钛矿由于致密均匀的膜，较好的晶体结构和高的吸收强度等优点，克服了二维钙 钛矿效率低的问题，效率高达 17.40%并且表现出无明显的迟滞行为和高的效率重现性，性能尤 为突出，实现了稳定性和电池效率的双高。 图 2（a）四种准 2D 钙钛矿太阳电池和常规电池的 J-V 曲线对比和（b）四种准 2D 钙钛矿电池 和常规电池在 80%的湿度条件下放置 500 h 后标准效率变化曲线。 更为重要的是，湿度老化研究发现：由于二维钙钛矿的层状疏水性，放置在 80%的高湿度 下，四种准二维钙钛矿表现出不同的超高湿度稳定性。随后的研究表明：准二维钙钛矿材料的 湿度稳定性与加入的铵盐疏水性密切相关，铵盐的疏水性越强获得的准二维钙钛矿就具有越高 的抗湿度能力。此次研究中，苯甲铵盐具有最好的疏水性，因此得到的准二维钙钛矿材料具有 最高的湿度稳定性，在 500 小时的 80%高湿度下老化后，能保持 80%以上的初始效率，而常规 器件的效率仅剩 10%。研究发现在常规钙钛矿中引入合适的高疏水性铵盐可以得到高效稳定的 二维钙钛矿太阳电池。 3. 结论 本文采用苯甲胺等不同疏水性的碘化铵盐制备得到了四种准二维钙钛矿材料及电池。基于 苯甲铵盐的准二维钙钛矿太阳电池表现出了 17.40%的效率和超高的湿度稳定性。这与加入铵盐 的疏水性能有关，铵盐的疏水性越强，获得的准二维钙钛矿就具有越高的抗湿度能力。这些发 现显示了二维钙钛矿材料在光伏应用中的优势和潜力，为获得长期稳定的高效钙钛矿太阳电池 提供了一个新的研究方向。 参考文献： [1] W. S. Yang, J. H. Noh, N. J. Jeon, Y. C. Kim, S. Ryu, J. Seo, S. II Seok. Iodide management in formamidinium- lead-halide–based perovskite layers for efficient solar cells [J]. Science, 2017, 356(6345): 1376-1379. [2] G. Niu, W. Li, F. Meng, L. Wang, H. Dong, Y. Qiu. Study on the stability of CH3NH3PbI3 films and the effect of post-modification by aluminum oxide in all-solid-state hybrid solar cells [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2(3): 705-710. [3] H. Tsai, W. Nie, J.-C. Blancon, C. C. Stoumpos, R. Asadpour, B. Harutyunyan, A. J. Neukirch, R. Verduzco, J. J. Crochet, S. Tretiak, L. Pedesseau, J. Even, M. A. Alam, G. Gupta, J. Lou, P. M. Ajayan, M. J. Bedzyk, M. G. Kanatzidis, A, D. Mohite. High-efficiency two-dimensional Ruddlesden–Popper perovskite solar cells [J]. Nature, 2016, 536(7616): 312. [4] X. Zhang, X. Ren, B. Liu, R. Munir, X. Zhu, D. Yang, J. Li, Y. Liu, D.-M. Smilgies, R. Li, Z. Yang, T. Niu, X. Wang, A. Amassian, K. Zhao and S. Liu. Stable high efficiency two-dimensional perovskite solar cells via cesium doping [J]. Energy & Environmental Science, 2017, 10(10): 2095-2102. [5] M J. Rosen, J T. Kunjappu Surfactants and interfacial phenomena [M]. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2012.