ACS Energy Letters:通过咪唑配合物中间体实现的无基底依赖性和无反溶剂的锡钙钛矿薄膜制备方法

来源:先进光伏发布时间:2025-09-22 14:26:57

论文概览

在金属卤化物钙钛矿薄膜的制备中,特别是含锡的钙钛矿薄膜,常依赖于抗溶剂的使用。薄膜的质量受到抗溶剂选择、主要前驱体溶剂、钙钛矿组成以及基底的尺寸和润湿性的显著影响。这种复杂性使得工艺优化变得具有挑战性,也阻碍了高效锡基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的发展。在本研究中,我们提出了一种真空淬火晶体生长调控(V-CGR)方法,这是一种不依赖抗溶剂和二甲基亚砜(DMSO)的、真空辅助的锡基钙钛矿薄膜制备工艺。该方法通过形成包含无定形[SnI2–(1-vinylimidazole)]复合物的中间薄膜,调控了晶体的生长。V-CGR方法兼容多种钙钛矿组成和基底,能够形成均匀的锡基钙钛矿薄膜,尺寸可达7.5 × 7.5 cm²,并允许在如MeO-2PACz和2PACz等疏水性空穴传输单分子层上制备器件。

技术亮点

无反溶剂和DMSO的制备工艺:V-CGR(真空淬火与晶体生长调节剂)方法摒弃了传统的抗溶剂和DMSO,避免了Sn(II)氧化的潜在问题,显著提高了Sn钙钛矿太阳能电池(PSCs)的热稳定性和性能。

大面积且均匀的薄膜制备:V-CGR方法能够成功制备最大尺寸为7.5 × 7.5 cm²的均匀Sn钙钛矿薄膜。即使在疏水性基底(如MeO-2PACz和2PACz)上,该方法也能实现无孔且平滑的薄膜形成,克服了传统方法在此类基底上的薄膜制备难题。

高效太阳能电池:该方法能够将疏水性空穴传输材料(HTMs)如MeO-2PACz和2PACz集成到Sn钙钛矿太阳能电池中,所得到的器件实现了最高12.1%的光电转换效率(PCE),相比传统的PEDOT:PSS器件显著提高了效率和稳定性。

深度解析

原生溶剂的选择与晶体生长监管机构

主要溶剂和晶体生长调节剂的选择

对于铅或铅-锡混合钙钛矿薄膜,已经开发了几种无抗溶剂的制备方法,通过控制晶体生长过程来获得高质量薄膜。例如,使用2-甲氧基乙醇(2ME)和乙腈等高度挥发的溶剂来创造有利于成核的过饱和条件;还有一些研究通过引入DMSO和N-甲基吡咯烷酮(NMP)等路易斯碱添加剂来调节晶体生长。然而,由于锡钙钛矿晶化速度较快,制造纯锡钙钛矿薄膜而不使用抗溶剂仍然具有挑战性。为此,研究者寻找了有效的高度挥发性主要溶剂和路易斯碱添加剂的组合,以实现无抗溶剂的锡钙钛矿薄膜制备。主要溶剂的选择基于两个标准:(i)能够溶解锡钙钛矿前驱体,(ii) 易于在真空下去除。比较了12种候选溶剂的蒸气压和它们对FASnI3与10 mol % SnF2的溶解度。尽管2ME广泛用于铅钙钛矿,但由于其对SnF2的溶解度差,未能使用。最终,选择了二甲基甲酰胺(DMF)作为主要溶剂,因为它能够溶解超过1.0 M锡钙钛矿前驱体且具有最高的蒸气压。接下来,选择了晶体生长调节剂,重点是寻找能够与Sn(II)强配位并有效与Sn/I键形成竞争的路易斯碱。通过密度泛函理论(DFT)计算评估了SnI2与九种路易斯碱分子(具有不同的配位基团,如C═O、C═S、C═N)之间的键形成焓。配位能力的顺序为:碳酰基(C═O) < 硫代碳酰基(C═S) < 亚胺(C═N),并且电子供给基团增强了这种配位能力。考虑到分子的碱性以避免FA+去质子化,最终聚焦于咪唑衍生物,它们具有强配位能力和适中的碱性(pKa在6至8之间)。研究表明,咪唑氮上的取代基对前驱体溶解度至关重要。例如,向0.5 M的FASnI3 DMF溶液中添加100 mol %的1-乙基咪唑或1,2-二甲基咪唑,会导致无色晶体的沉淀,经单晶X射线衍射确定为[SnI2–(1-乙基咪唑)2]和[SnI2–(1,2-二甲基咪唑)2]。与此不同,1-乙烯基咪唑能在浓度超过1.0 M时保持稳定溶液而不沉淀。因此,1-乙烯基咪唑被选为晶体生长调节剂,并进行了进一步研究。

使用V-CGR方法制备锡钙钛矿薄膜

锡钙钛矿前驱体溶液通过在DMF中将SnI2、FAI和EDAI2按100:98:1的比例溶解,加入10 mol % SnF2和晶体生长调节剂制备。首先,通过3000 rpm的旋涂在基板上形成湿膜,随后在封闭腔室内以<200 Pa的真空干燥3分钟,再在100 °C的热板上退火20分钟,形成钙钛矿薄膜。为了验证1-乙烯基咪唑作为晶体生长调节剂的效果,与常用的DMSO进行了对比。计算结果表明,1-乙烯基咪唑与SnI2的配位能力最强,这表明它能通过减缓离子交换有效调节晶体生长,优化钙钛矿薄膜的形成。通过SEM图像观察,使用DMF溶剂制备的薄膜晶体较大,表面覆盖率较差(58%)。加入100 mol % DMSO后,表面覆盖率提高到82%。而加入100 mol % 1-乙烯基咪唑后,薄膜完全覆盖且无孔洞。不同浓度下,1-乙烯基咪唑的薄膜形貌保持稳定。这表明,加入强配位的晶体生长调节剂对于获得均匀、无孔的锡钙钛矿薄膜至关重要。

中间相的表征

真空淬火后的薄膜呈现棕色半透明的外观,与退火后获得的黑色钙钛矿薄膜不同,表明形成了中间相。横截面SEM图像显示,中间薄膜平坦,约270 nm厚,由明亮的聚集体和较暗的基质组成。我们将这些明亮和暗区归因于两种不同的组分。热退火后,暗区消失,薄膜厚度减少至约200 nm。为了确定薄膜的化学组成,使用1H NMR分析溶解在DMSO-d6中的薄膜。结果表明,中间薄膜中含有56 mol %的1-乙烯基咪唑,相对于FA+,而退火后的薄膜中仅保留不到3 mol %的1-乙烯基咪唑。这表明,1-乙烯基咪唑在真空淬火后保留在薄膜中,但在100°C退火时蒸发。值得注意的是,中间薄膜的XRD谱图仅显示出钙钛矿相关的衍射峰,而没有检测到任何来自咪唑相关晶体相的信号。因此,中间薄膜可能由晶体钙钛矿和一个非晶的[SnI2–(1-乙烯基咪唑)]复合物组成。为了进一步探究这一非晶组分,测量了中间薄膜和退火薄膜的红外(IR)光谱,并与1-乙烯基咪唑和晶体[SnI2–(1-乙烯基咪唑)]复合物的光谱进行了比较。中间薄膜的IR光谱在1354 cm–1、1053 cm–1和1006 cm–1处出现了与FA+振动相关的峰,同时还出现了分配给1-乙烯基咪唑的峰。特别地,930 cm–1处的峰,在晶体[SnI2–(1-乙烯基咪唑)]复合物中也存在,该峰归因于Sn–N键的拉伸振动。结合NMR、XRD和IR的结果,可以得出结论,中间薄膜由晶体钙钛矿晶粒和一个非晶的[SnI2–(1-乙烯基咪唑)]复合物组成。这一解释与不同1-乙烯基咪唑添加剂浓度下的中间薄膜横截面SEM图像一致。随着咪唑添加剂量的增加,明亮的晶体钙钛矿晶粒的大小逐渐减小,并在200 mol %时完全消失。关于1-乙烯基咪唑引起的晶体取向变化的进一步讨论可在支持信息中找到。

V-CGR方法的普适性

研究表明,V-CGR方法与不同下层具有良好的兼容性。代表性的空穴收集单层MeO-2PACz和2PACz相比PEDOT:PSS更具疏水性,其水接触角分别为64°和69°,而PEDOT:PSS为25°。V-CGR方法成功地在这两种单层上制备出致密、无孔的锡钙钛矿薄膜,与传统抗溶剂法得到的粗糙薄膜形成鲜明对比。此外,V-CGR方法还能够在钛氧化物(TiO2)上沉积高质量的锡钙钛矿薄膜,证明该方法在n-i-p型器件结构中的适用性。V-CGR方法的多样性通过不同钙钛矿成分的实验得到验证。除了全碘化的三维体系外,还成功制备了准二维钙钛矿和含溴的宽带隙钙钛矿,这些材料在无铅钙钛矿-硅串联太阳能电池中具有潜力。这些结果表明,V-CGR方法适用性广泛,无论下层的疏水性或钙钛矿的组成如何,均能有效应用。

器件性能

使用真空淬火与晶体生长调节剂(V-CGR)方法,在p-i-n结构中制备了锡钙钛矿太阳能电池:ITO/空穴传输材料(HTM)/EDA0.01FA0.98SnI3/乙撑二胺二碘化物(EDAI2)/PCBM:ICBA/C60/BCP/Ag。EDAI2和PCBM与ICBA的混合物作为钝化层,以提高开路电压(VOC)。除了传统的PEDOT:PSS外,还使用了MeO-2PACz和2PACz作为HTM。器件的电流密度-电压(J-V)特性显示,PEDOT:PSS器件的短路电流密度(JSC)为22.3 mA cm–2,VOC为0.67 V,填充因子(FF)为0.70,光电转换效率(PCE)为10.5%。用MeO-2PACz替代PEDOT:PSS后,JSC和VOC分别提高至23.9 mA cm–2和0.70 V,PCE为11.6%。V-CGR方法也使得在更疏水性的2PACz上制备出高效器件,JSC为24.1 mA cm–2,VOC为0.70 V,FF为0.68,PCE为11.5%,与MeO-2PACz器件相当。这些结果表明,V-CGR方法相比传统抗溶剂法,扩大了与多种HTM兼容的范围。单层基器件中JSC的提高归因于PEDOT:PSS/钙钛矿界面的光学损失减少和PEDOT:PSS的寄生吸收抑制。外量子效率(EQE)和反射光谱证实了这一效果,PEDOT:PSS器件的集成JSC值为22.0 mA cm–2,MeO-2PACz器件为23.7 mA cm–2。

结论展望

总之,开发了一种新型的无抗溶剂和DMSO的锡钙钛矿薄膜制备方法。真空淬火与晶体生长调节剂(V-CGR)方法利用1-乙烯基咪唑形成非晶[SnI2–(1-乙烯基咪唑)]复合物,从而在不同基底上制备出平滑、均匀的薄膜,无论基底的湿润性或大小如何。使用V-CGR方法,采用疏水性空穴传输单层的锡钙钛矿太阳能电池实现了高达12.1%的光电转换效率(PCE),同时去除DMSO提高了85 °C下的热稳定性。此外,V-CGR方法还实现了在7.5 × 7.5 cm²基板上的均匀锡钙钛矿薄膜,并成功制备了一个21.6 cm²的太阳能模块。V-CGR方法的多样性和可扩展性为无铅钙钛矿光伏的商业化铺平了道路,并提供了一个强大的平台,支持探索新的钙钛矿组成、溶剂和电荷传输材料。

文献来源

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c02366.

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