河北大学何庭伟、杨少鹏AM:DMI同步相变策略实现1.76 eV宽带隙钙钛矿光伏器件认证效率21.18%

来源:先进光伏发布时间:2025-10-20 10:20:28

文章概述

本文通过同步相变策略实现高效宽带隙钙钛矿光伏器件的方法。针对混合卤素宽带隙钙钛矿材料中常见的卤素相不均匀问题,研究人员引入1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)到钙钛矿前驱体溶液中,利用其与卤化铅更强的结合能形成均匀的DMI-PbX2加合物中间相。该中间相在旋涂阶段保持稳定,并在退火阶段同步转化为均匀的卤素相钙钛矿薄膜。得益于缓慢的结晶速率和同步相变过程,获得了大晶粒、低缺陷的均匀卤素相WBG钙钛矿薄膜。基于此,1.76 eV带隙的钙钛矿太阳能电池实现了21.42%的纪录效率(认证效率21.18%),同时四端全钙钛矿叠层太阳能电池效率达到29.66%。

创新点分析

1)提出了同步卤素相变策略,通过DMI调控结晶动力学实现均匀卤素分布

2)发现了DMI溶剂对PbI2和PbBr2几乎相同的锚定能力,为形成均匀中间相提供理论基础

3)实现了从中间相到钙钛矿相的同步转化过程,有效抑制了相分离现象。

Figure 1通过DFT计算、FTIR光谱、核磁共振和XRD图谱等手段,系统研究了DMI与PbX2的相互作用机制,证实DMI具有比DMSO和DMF更强的配位能力,且对PbI2和PbBr2表现出几乎相同的锚定能力,当DMI与DMSO体积比为2:3时可获得纯净的DMI-PbX2加合物中间相,为后续同步相变奠定基础。

Figure 2利用原位GIWAXS、原位PL光谱和纳米X射线荧光等技术深入分析了结晶动力学过程,发现DMI处理后的薄膜在旋涂阶段形成稳定的中间相,退火阶段实现同步相变,nXRF和EDS mapping证实DMI处理使碘溴比例分布更加均匀,有效解决了卤素相分离问题。

Figure 3通过KPFM、SCLC、UPS和TCFM等表征手段证明DMI处理显著改善了薄膜的电学性能,接触电位差分布更加均匀,陷阱密度从1.48×10^16 cm^-3降低至8.36×10^15 cm^-3,载流子迁移率提高,能级结构优化,表面光电流分布均匀性增强,为高效器件性能提供保障。

Figure 4展示了器件的光伏性能,DMI处理的WBG PSC获得21.42%的纪录效率,认证效率达21.18%,TPV/TPC测试显示载流子复合寿命延长至48.27 μs,传输寿命缩短至0.68 μs,半透明器件在500nm厚度下保持74.16%的近红外透光率,四端全钙钛矿叠层电池效率达到29.66%。

Figure 5重点研究了器件的稳定性机制,GIXRD分析表明DMI处理将晶格应变从17.52 MPa降低至8.46 MPa,原位PL测试证明DMI处理有效抑制光致相分离,离子迁移激活能从0.23 eV提高至0.36 eV,未封装器件在连续1太阳光照3000小时后仍保持90%初始效率。

文章来源

Adv. Mater. 2025, 37, e05694

责任编辑:wanqin
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