華中科技大學半導體物理論文翻譯——通過分子內交換技術制造高性能光伏鈣鈦礦層

1、通過分子內交換技術制造高性能光伏鈣鈦礦層 1 / 12 通過分子內交換技術制造高性能光伏鈣鈦礦層 通過分子內交換技術制造高性能光伏鈣鈦礦層 Woon Seok Yang, Jun Hong Noh, Nam Joong Jeon, Young Chan Kim, Seungchan Ryu,Jangwon Seo, Sang Il Seok 翻譯:Crainax 英文論文原文標題：2015-High-performance-photov

2、oltaic-perovskite-layers-fabricated-through-intramolecular-exchange 摘 要 與傳統(tǒng)的甲基碘化銨(MAPbI3)相比，甲基碘化鉛(FAPbI3)鈣鈦礦的帶隙允許吸收更大范圍的光譜中的光。 鈣鈦礦膜的光電性質與膜的質量密切相關， 因此沉積致密且均勻的膜對于制造高性能鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)十分關鍵。 我們報告的關于沉積高質量 FAPbI3 膜方法中，涉及了 FAPbI3

3、 結晶通過二甲基亞砜(DMSO)分子插入 PbI2 與甲脒碘化物的直接分子內交換。這個過程產生了具有(111)-偏向晶體取向、大顆粒致密微結構和沒有殘留 PbI2 平坦表面的 FAPbI3 膜。使用該技術制備的膜，能制造具有超過 20％最大功率轉換效率且基于 FAPbI3的 PSC。 在過去 3 年中，器件結構(1-3)，高質量成膜方法(4-6)和鈣鈦礦材料(7-9)的組成工程的快速發(fā)展，促進了快速提高功率轉換效率(PCE)的鈣鈦礦太陽

4、能電池(PSCs)的研究。雖然報道已經聲明用于 PSCs(10)的電力轉換效率(PCE)高達18％， 但是進一步實現(xiàn)經濟可行性且接近理論值的 PCE 的技術仍然是太陽能電池行業(yè)中最重要的挑戰(zhàn)。 甲基碘化鉛(FAPbI3)是一種鈣鈦礦材料，其可以提供比甲基碘化銨(MAPbI3)更好的性能，因為它能吸收更寬的光譜中的光。此外，具有 n-i-p 結構(n 側被太陽輻射)的 FAPbI3在電流-電壓測量期間具有在掃描方向可忽略的滯后(8-13)

5、。然而， 與 MAPbI3相比， FAPbI3更難以形成穩(wěn)定的鈣鈦礦相和 FAPbI3的高質量膜。在一些方法論中，比如順序沉積(4)，溶劑工程(5)，氣相輔助沉積(14)，添加劑輔助沉積(15,16)和真空蒸發(fā)(6)中有各種方法現(xiàn)在可以產生具有平坦的表面和完全的表面覆蓋的 MAPbI3高質量膜， 通過快速地控制其在低溫中的行為， 能實質性地改善基于 MAPbI3的 PSC 中的 PCE。 通過分子內交換技術制造高性能光伏鈣鈦礦層 3 /

6、 12 bI3(將在下面討論)不同，故這不會引起體積膨脹。 在這里，我們將說明關于 PbI2-(DMSO)前體的合成，在自旋過程中在低溫下與 FAI 的分子交換具有優(yōu)異的能力，以及制造高效的基于 FAPbI3的 PSC，其中被證明存在的 PCE 超過 20％。為了合成 PbI2-(DMSO)前體，通過將甲苯作為非溶劑倒入溶解在 DMSO 中的 1.0 MPbI2 溶液中，獲得沉淀。所得絡合物的 X 射線衍射(XRD)圖(如圖 1Ba 所

7、示)與 PbI2(DMSO)2(5,19)的 X 射線衍射(XRD)圖相匹配。然后將所制備的 PbI2(DMSO)2 在 60℃下在真空中加熱 24 小時，通過除去 1mol 的DMSO 來獲得 PbI2(DMSO)?？梢钥闯?，真空加熱的粉末(如圖 1Bb 所示)的 XRD 圖案與 PbI2(DMSO)2 的 XRD 圖案不相符，這意味著 PbI2(DMSO)2 通過釋放一些 DMSO分子而轉化成不同的相。我們可以通過熱重量分析(TGA

8、)估算加熱后的粉末中的DMSO 含量。TGA 適合于這個實驗，因為粉末中唯一的揮發(fā)性物質是 DMSO。PbI2(DMSO)2和 PbI2(DMSO)絡合物的 TGA 結果如圖 1C 所示。PbI2(DMSO)2絡合物將會顯示出兩步分解過程， 在每個步驟的重量損失為 12.6％， 而真空加熱 PbI2(DMSO)絡合物將顯示出單步分解。 兩種絡合物的分解都在相同的溫度(138.8℃)下完成。通過在 60℃下真空加熱 PbI2(DMSO)2

9、絡合物獲得的粉末可以被認為是在各種結晶PbI2-(DMSO)-基絡合物中熱力性質最穩(wěn)定的形式之一，其與 PbBr2(DMSO)和PbCl2(DMSO)的反應十分相似(20)。通過元素分析(EA)檢查真空加熱后的PbI2(DMSO)絡合物的 DMSO 含量，可以看出產生的 H=1.0％(1.1％)和 C=4.1％(4.4％)，其中括號中表示的值表示在 C2H6SOPbI2 中給定元素的理論質量百分比。 為了通過使用預存儲的 PbI2–DM

10、SO 膜和 FAI(MABr)溶液在 DMSO 和 FAI(MABr)之間的 IEP 去制造基于 FAPbI3 的 PSC，我們首先能確定的是在 PbI2(DMSO)前體溶解于 DMF 攪拌后甚至能獲得 PbI2(DMSO)相。涂覆在熔融石英基材上的膜的 XRD圖案與初始前體的 XRD 圖案比較的異同參考圖 1Bc 所示， 盡管其結晶度降低， 對于涂上膜的 XRD 圖案與 PbI2(DMSO)絡合物粉末的 XRD 圖案一致。涂覆上的Pb

11、I2(DMSO)膜也具有平坦稠密的表面， 如圖 1 中的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)圖像 S1(21)中所示。接下來，我們去研究 IEP 形成混合的 FAP-bI3/MAPbBr3。我們可以認為，PbI2骨架中 MA/FA/I/Br 的共存改善了 FAPbI3的相穩(wěn)定性(10)。想要通過 IEP 中形成的混合層(FAP-bI3/MAPbBr3)去溶解在不同摩爾比的 MABr 與FAI 的異丙醇(IPA)中，可以在預沉積的 PbI2