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华中科技大学的陈炜教授长期从事新型太阳能电池材料和器件应用方面的研究工作，近年来在钙钛矿太阳能电池方面取得了突出研究成果。
陈炜教授近年先后主持自然科学基金4项、国家重点研发计划青年项目（子课题负责1项）、与企业合作研发横向课题2项，参与国家重点基础研究发展计划（973计划）1项等科研项目。迄今共发表SCI收录论文70余篇，其中第一作者或通讯作者（含共同）共计47篇（包括Science 2篇，Science Advances 2篇，Nature Energy 1篇，Nauture Commun 1篇，Energy & Environmental Science 1篇，Adv Mater 2篇，Adv Energy Mater 2篇，Adv Funct Mater 1篇）。截至目前，论文共被引用7000余次，2篇论文入选ESI热点论文，9篇论文入选ESI高被引论文，H因子为44。申请中国发明专利23项，已获授权13项，申请PCT国际专利2项。
今年4月27日，华东理工大学吴永真教授、朱为宏教授和吉林大学张立军教授，波茨坦大学Martin Stolterfoht教授和华中科技大学陈炜教授在《Science》上发表题为“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells”的学术论文，报道的具有亲水性氰基乙烯基膦酸(CPA)锚定基团和疏水性芳基胺基空穴提取基团(MPA-CPA)的两亲性分子空穴转运体，通过润湿和钝化增强钙钛矿沉积，从而最大限度地减少了埋藏的界面缺陷。钙钛矿薄膜具有高均匀性、高光致发光量子产率和长载流子寿命。封装的1平方厘米太阳能电池具有23.4%的功率转换效率和高操作和湿热测试稳定性。华东理工大学博士生张硕和叶方圆、吉林大学博士生王啸宇以及华中科技大学陈锐博士为论文共同第一作者。
最近陈炜教授课题组的最新研究成果登上《Nature Energy》上，接下来就让小编带大家一起学习陈炜教授课题组的最新研究成果。
减少不含甲基铵和溴化物倒置钙钛矿太阳能电池内部和表面缺陷
基于不含甲基铵和溴化物的倒置钙钛矿太阳能电池（FAPbI 3）的电力转换效率仍然落后于常规配置的PSCs。在这里，华中科技大学陈炜教授课题组改善了FA0.98Cs0.02PbI3钙钛矿薄膜的内部和表面的缺陷，以减少效率差距。首先，作者使用二丁基亚砜来提高结晶度，减少缺陷密度和钙钛矿内部残余应力。然后，作者用三氟化碳改性的苯乙基碘化铵处理钙钛矿薄膜的表面，以优化能级，钝化缺陷并保护薄膜免受潮湿。倒置的PSC同时实现了25.1%的效率并提高了稳定性。这些器件在1.5G太阳的照明下运行1800小时和在湿热条件下运行1000小时后，分别保持了97.4%和98.2%的初始功率转换效率。相关成果以“Reduction of bulk and surface defects in inverted methylammonium- and bromide-free formamidinium perovskite solar cells”为题发表在《Nature Energy》上。华中科技大学陈锐博士为第一作者。
钙钛矿薄膜晶体生长的调节
首先，作者优化了FA 0.98Cs 0.02PbI 3基钙钛矿薄膜的制备工艺；引入少量的铯来稳定FAPbI3基钙钛矿的黑相。作者发现，用DMF/NMP混合溶剂而不是常用的DMF/二甲亚砜（DMSO）在充满N 2的手套箱中制备无针孔的FA 1-xCsxPbI 3基薄膜比较容易。从DMF/NMP溶剂开始，作者通过添加DBSO作为配位剂进一步修改，以调节钙钛矿的生长。与DMSO相比，DBSO中加入的较长的烷基链导致其更高的沸点和更强的电子供体能力，这使得其与PbI2的配合比DMSO情况和NMP情况更加稳定。这样的特性在控制钙钛矿晶体生长和由此产生的FA1-xCsxPbI3薄膜中的缺陷浓度方面起着重要作用。
图1 钙钛矿薄膜晶体生长的调节
钙钛矿薄膜质量的表征
由不同前驱体溶液制成的退火钙钛矿薄膜的XRD图谱显示，所有的薄膜在150℃下退火20分钟后都转变为α相的FA1-xCsxPbI3钙钛矿（图1c）。随着DBSO负载量的增加，从0%到5%，再到10%，XRD峰的强度逐渐增加，从而表明钙钛矿结晶度的增强。这与SEM观察到的DBSO添加后晶粒尺寸增大是一致的。如图1g所述，包晶石晶体的生长机制可以用两种不同的途径来解释。在0%的DBSO样品中，δ相过渡到α相直接发生在退火过程中；而在10%的DBSO样品中，DBSO-PbI2中间相和FAI之间的分子交换控制着退火后α相的晶体生长。
众所周知，钙钛矿薄膜的内部残余应力可以促进原子空位的形成，增加非辐射重组，降低载流子迁移率和结构稳定性，从而恶化器件的光伏性能。本文结果显示，随着DBSO含量从0%到5%再到10%的增加，200nm（图2a）和50nm（图2b）处的拉应力逐渐释放。此外，DBSO的添加，可以有效地抑制快速非辐射衰变成分。使用适当的DBSO负载可以有效地释放薄膜内的残余应力，减少缺陷密度，因为这种添加剂能够调节钙钛矿晶体的生长。这些效应抑制了电荷载流子的非辐射重组，提高了载流子的寿命。
图2：钙钛矿薄膜的质量表征
表面钝化的影响
除了通过使用DBSO添加剂工程减少钙钛矿薄膜内的块状缺陷外，作者还设计了含有不同氟碳（CF3）官能团的苯乙基碘化铵（PEAI）衍生物作为表面改性试剂，以进一步钝化钙钛矿薄膜中的缺陷。PEAI衍生物CF3-PEAI和2CF3-PEAI的分子结构显示在图3a。从分子工程的角度来看，CF3电子吸收基团可以调整钝化剂的分子偶极矩和疏水性，而PEA+、CF3-PEA+和2CF3-PEA+阳离子之间的大小差异也可能影响它们在钙钛矿薄膜中的扩散深度。钝化剂的分布被认为会影响薄膜的表面电性能和化学稳定性。
2CF3-PEAI具有最好的表面缺陷钝化能力，这可能与它与其他研究的有机阳离子相比，扩散深度最浅有关。热退火引起的碘的损失主要发生在钙钛矿薄膜的表面。因此，2CF3-PEAI的低扩散深度可以使钙钛矿表面富含碘，从而导致有效的缺陷钝化。2CF3-PEAI的大尺寸也阻止了它向薄膜内部的深度扩散，这可能会破坏理想的三维（3D）包晶石晶格。
图3 钙钛矿表面钝化的影响
PSC 的性能和稳定性
图4a显示了没有和有不同表面钝化的p-i-n PSCs的J-V曲线。2CF3-PEAI钝化器件达到PCE为25.1%，JSC为25.88 mA cm-2，VOC为1.176 V，FF为0.825。从EQE频谱计算出的积分短路电流密度为25.74 mA cm-2。作者还将其中一个最好的器件送到一个可信的第三方机构，得到的认证效率为24.5%，JSC为25.75 mA cm-2，VOC为1.167 V，FF为0.815。此外，该器件的性能具有很好的可重复性（图4b）。
为了研究作者的缺陷管理策略对器件稳定性的影响，作者使用最大功率点跟踪（MPPT）监测了基于不同钝化剂的封装器件在环境空气中连续AM 1.5 G 100 mW cm-2照明下的长期老化行为（图4c）。PEAI和CF3-PEAI钝化装置（初始PCE分别为22.3%和23.6%）在780小时后相应地退化到初始PCE的72.3%和82.1%。2CF3-PEAI钝化的器件（初始PCE为24.5%）在1800小时后仍然保持了初始PCE的97.4%。
除了提高运行寿命外，还根据IEC61215标准测试了器件的湿热稳定性。2CF3-PEAI处理的器件在85℃/85%RH下老化1,000小时后，可以保持其初始性能的98.2%（图4d）。同时，基于原始钙钛矿薄膜的器件和具有PEAI和CF3-PEAI钝化涂层的薄膜在相同的老化条件下分别退化到其初始PCE的71.3%、87.2%和91.1%。这些结果进一步证实了具有最低缺陷密度、减少内部残余应力和较高表面疏水性的接近理想的钙钛矿薄膜对器件稳定性的显著影响。
图4：PSC的光伏性能和运行稳定性
小结
综上所述，作者报告了改善FA 0.98Cs 0.02PbI 3钙钛矿薄膜体部和表面质量以实现高性能倒置PSC的策略。首先，作者使用一种低挥发性的DBSO路易斯基添加剂，它具有很强的配位能力，可以提高结晶度，降低缺陷密度和钙钛矿体的内部残余应力。然后，引入2CF3-PEAI作为界面钝化剂，旨在优化能级，钝化缺陷并保护薄膜免受潮湿。倒置的PSCs实现了25.1%的效率并提高了稳定性。该器件在连续1-sun AM 1.5 G照明下工作1800小时和在湿热条件下（85℃和85% RH）工作1000小时后，保持了97.4%和98.2%的初始PCEs。
来源：高分子科学前沿
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