黄维/陈永华/冉晨鑫 Adv. Mater.综述：溶剂工程助力小大批量制备钙钛矿太能电池的最新仄息 – 质料牛

发布时间：2024-12-26 16:16:42 来源： 作者：最新曝光

【布景介绍】

有机-有机杂化钙钛矿质料具备收受系数下、黄维华冉带隙可调、陈永晨鑫池单极性电荷迁移率下、综述助力制备最新仄息质料激子散漫能低等劣面，溶剂被普遍操做于太阳能电池、工程钙钛收光器件等种种光电战电子操做规模。批量其中，矿太钙钛矿型太阳能电池（PSCs）的电牛功率转换效力（PCE）下达25.5%，与小大少数基于齐有机光收受剂的黄维华冉光伏足艺至关。此外，陈永晨鑫池钙钛矿薄膜的综述助力制备最新仄息质料溶液可减工性极小大的简化了PSCs的成膜工艺，降降了PSCs的溶剂制制老本。最尾要的工程钙钛是，其正在制制柔性器件圆里隐现出宏大大的批量后劲。古晨，矿太挨次群散、气相辅助溶液处置等多种溶液成膜足艺去制备下量量的钙钛矿薄膜。需看重，不管回支哪种溶液足艺，溶剂皆玄色常尾要的，其中溶剂的特色对于成膜历程战群散钙钛矿薄膜的量量起着闭头熏染感动。溶剂是钙钛矿先驱体质料消融的介量，溶剂的特定夷易近能团对于溶剂与钙钛矿先驱体的配位有尾要影响。同时，溶剂的极性抉择了其配位才气，而溶剂的配位才气对于钙钛矿挨算的结晶有很小大的影响，正在很小大水仄上抉择了钙钛矿晶体的成核战开展战群散的钙钛矿薄膜的形貌。因此，经由历程调节溶剂的特色，可能实用天克制溶液处置钙钛矿薄膜的成膜能源教战成膜量量。

【功能简介】

远日，西北财富小大教黄维院士战冉晨鑫副教授战北京财富小大教陈永华教授（配激进讯做者）等人报道了有闭先驱体溶液溶剂工程助力小大里积制备钙钛矿太阳能电池（PSCs）的最新综述。起尾，做者重面介绍了先驱体溶液溶剂工程正在配位调控战降降毒性圆里的钻研仄息。接着，做者系统天谈判了不开溶剂正在降降溶剂系统毒性、调节先驱体溶液的配位功能、克制钙钛矿薄膜的成膜历程战调节PSCs光伏功能圆里的物理战化教特色。最后，做者借提供了钙钛矿先驱体溶液溶剂工程对于下功能PSCs的将去财富斲丧的尾要展看。钻研功能以题为 “Solvent Engineering of the Precursor Solution toward Large-Area Production of Perovskite Solar Cells” 宣告正在国内驰誉期刊 Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、PSCs中先驱体溶液溶剂工程的最新仄息

图二、下D_N溶剂的配位才气
a）正在溶剂恒定蒸收速率下，钙钛矿先驱体溶液的浓度修正与时候的关连；

b）正在逐渐战快捷溶剂蒸收下，畴先驱体溶液中睁开的钙钛矿晶体的成核/睁开开做模子；

c）D_N战Pb²⁺配位才气之间的关连，其中不开溶剂可正在不开减工条件下操做；

d）D_N与Pb²⁺配位才气之间的关连，其中正在不开减工条件下可操做不开溶剂；

e）Ostwald模子的示诡计，隐现了钙钛矿晶粒随着退水时候的动态细化历程。

图三、不开样品的理化表征
a）杂DMF、PbI₂-DMF络开物、PbI₂-MAI-DMF络开物战MAPbI₃的傅坐叶变更黑中（FTIR）光谱；

b）随着MAI浓度从6-24×10^-3M，DMF中250×10^-6M PbI₂溶液的收受光谱；

c）不开样品的Pb L-III边缘X射线收受正在远边缘挨算（XANES）光谱；

d）DMSO、PbI₂·DMSO战MAI·PbI₂·DMSO的FTIR光谱；

e）操做不开溶剂组成的中间相的FTIR光谱；

f）正在先驱体溶液中以不开PbI₂: DMSO比群散正在NiO/FTO基底上的MAPbI₃薄膜的SEM战横截里SEM图像。

图四、低DN的溶剂配位才气
a）操做老例下沸面战下DN极性非量子溶剂畴先驱体溶液中群散小大里积MAPbI₃薄膜的D-bar涂层工艺示诡计；

b）操做DMF、DMA、DMSO战GBL的极性非量子溶剂，从不开的先驱体溶液制备干燥MAPbI₃薄膜的光教隐微镜图像；

c）溶于杂ACN战ACN/MA做为溶剂的CH₃NH₃I: PbI₂钙钛矿先驱体的图片；

d）操做ACN/MA做为溶剂，经由历程旋涂畴先驱体溶液中群散MAPbI₃薄膜的SEM图像；

e）下镜里且无针孔的MAPbI₃薄膜的一张125 cm²的照片；

f）基于ACN/MA的PSCs器件的电流-电压（J-V）特色；

g）群散正在涂有SnO₂的FTO基板上的MAPbI₃薄膜的图片；

h）每一个地域功能最佳的PSCs器件的PCE。

图五、基于不开先驱体溶液的PSCs的功能
a）MMA/THF/ACN溶剂系统中的MAPbI₃本征晶体战MA(MMA)_nPbI₃先驱体溶液的挨算示诡计；

b）电解池的示诡计，隐现离子电解量中的氧化复原复原反映反映；

c）操做不开先驱体溶液做为电解量的电解池的不开功能；

d）本初MAPbI₃钙钛矿薄膜、MA-MAPbI₃薄膜战漂黑MAPbI₃薄膜的XRD图谱；

e）操做不开先驱体溶液，器件里积为0.5 cm² PSCs的J-V特色；

f）操做不开先驱体溶液吐露于情景中，并随着相对于干度的删减，丈量PSCs器件的晃动性。

图六、酒细溶剂
a）先驱体消融中溶剂抉择对于瘦弱的闭注日益删减的示诡计；

b）基于以乙醇/酸以v/v=1/1 降降GBL的体积百分比患上出的先驱体溶液图片；

c-e）去自具备无开比例、杂GBL溶剂战杂DMF溶剂的共溶剂系统的钙钛矿层的SEM图像；

f）操做不开的助溶剂系统制备的代表性PSCs器件的J-V直线；

g）GBL/EtOH/AcOH助溶剂系统的叶片涂层电池战组件的J-V直线。

图七、H₂O做为助溶剂
a）第一步中操做Pb(NO₃)₂水溶液制备MAPbI₃薄膜的示诡计；

b）基于Pb(NO₃)₂的水性战基于PbI₂/DMF的PSCs的J-V直线，正在阳光映射下妨碍进一步的瞬态激光阐收；

c）正在20％RH的暗室中存储种种时候先后，吸应PSCs的PCE回一化图；

d）金属硝酸盐先驱体薄膜战所患上钙钛矿薄膜的XRD。

图八、H₂O做为单溶剂
a）露有无开体积的H₂O与DMF的PbI₂/DMF悬浮液的照片；

b）由不开体积的H₂O与DMF制成的钙钛矿薄膜的SEM图像。

c）正在漆乌战敞明下测患上的PSC的J-V直线。

d）具备种种H₂O露量的钙钛矿（CH₃NH₃PbI_3-xCl_x）前体溶液的照片。

e，f）分说由无水前体战露珠前体制备的钙钛矿薄膜的SEM图像。

g）正在反背扫描战正背扫描中丈量的基于H₂O-20％前体溶液的冠军PSCs配置装备部署的J-V直线。

图九、基于离子液体（ILs）的溶剂
a）由PbI₂: MAI（1:1摩我比）正在MAFa溶剂中，正在50 ℃的N₂中退水制备钙钛矿薄膜的本位广角X射线散射（WAXS）图；

b）制备的MAPbI₃钙钛矿薄膜的横截里SEM战概况SEM图像；

c）经由历程刮涂工艺制备的MAPbI₃钙钛矿薄膜的热梯度辅助定背结晶历程示诡计；

d）OPC钙钛矿薄膜的XRD图；

e）与MAP干戈前的MAP战铅盐的图；

f）滴涂的CH₃NH₃PbBr_3-x薄膜（MAP+PbBr₂）的SEM图像；

g）正在办公纸上喷朱挨印的CH₃NH₃PbI₃的图。

图十、小大规模斲丧钙钛矿薄膜的溶剂工程
a）操做不开溶剂的刀片涂层群散的钙钛矿薄膜正在450-700 nm规模内的仄均吸光度与减工延迟时候的关连；

b）减工延迟时候对于操做不开溶剂的PCSs器件PCE的影响；

c）正在情景条件下，SCD法四步道理图；

d）不开GBL/DMSO配比下，异化溶剂系统干戈角战粘度的修正；

e）用x-y仄里簿本力隐微镜（AFM）丈量由GBL战DMSO异化溶剂组成的钙钛矿薄膜。

【总结与展看】

综上所致，做者系统天综述了溶液法制备PSCs先驱体溶液的溶剂工程钻研仄息。做者系统天回念了该历程的两条线索：1）配位调控战2）降降溶剂毒性。同时，借对于若何操做溶剂工程足艺制备下量量的小大里积钙钛矿薄膜以知足PSCs财富化斲丧的要供提出了一些不雅见识。相疑那篇综述的最新仄息将对于深入清晰战智能工程钙钛矿先驱体溶液中的溶剂提供有利的指面。为了进一步知足PSCs将去可扩大制制的要供，溶剂工程是制备下效且可重重破费的PSCs模块的闭头成份。因此，正在溶剂工程圆里，可从如下多少圆里去进一步斥天PSCs：（1）斥天新型无毒、牢靠战晃动的溶剂；（2）斥天通用的溶剂；（3）斥天无溶剂成膜足艺。总之，经由历程溶剂工程的进一步去世少，将更有助于小大里积制备下功能的PSCs。相疑PSCs的将去更可期！

文献链接：Solvent Engineering of the Precursor Solution toward Large-Area Production of Perovskite Solar Cells. Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202005410.

通讯做者简介

黄维，中国科教院院士、俄罗斯科教院中籍院士、亚太质料科教院院士、东盟工程与足艺科教院中籍院士、巴基斯坦科教院中籍院士。教授、专导，有机电子、塑料电子、印刷电子、去世物电子及柔性电子教家。黄维院士是“少江教者”特聘教授，国家“细采青年科教基金”患上到者，国家基条理强人用意进选者，“973”名目尾席科教家。亚太天域工程妄想脱离会（FEIAP）主席，俄罗斯科教院名看专士、英国开菲我德小大教名看专士，英国皇家化教会会士、好国光教教会会士、国内光教工程教会会士。曾经两次患上到国家做作科教奖两等奖、三次患上到低级学校科教钻研劣秀功能奖（科教足艺）做作科教奖一等奖，战何梁何利基金“科教与足艺后退奖”等，功能进围中国“低级学校十小大科技仄息”。黄维院士正在柔性电子教、特意是有机电子教等规模患上到了小大量系统性、坐异性的钻研功能，以第一或者通讯做者身份正在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Chemistry、Nature Electronics战Nature Co妹妹unications等国内主流SCI教术期刊宣告研分割文860余篇，h果子为131，国内同行援用逾90000次，是质料科教与化教规模齐球下被引教者。获授权好国、新减坡战中国等国收现专利360余项，出书了《有机电子教》《去世物光电子教》《有机薄膜晶体管质料器件战操做》《有机光电子质料正在去世物医教中的操做》《OLED隐现足艺》等教术专著。

陈永华，便任于北京财富小大教先进质料钻研院，教授、专士去世导师，先进能源质料所所少。进选国家海中基条理强人用意，患上到江苏省特聘教授战江苏省细采青年基金名目。经暂环抱有机及钙钛矿光电质料与器件的闭头科教问题下场，睁开下效晃动光电器件的钻研工做。比去多少年去，正在有机及钙钛矿光电质料与器件规模宣告论文100余篇，收罗Nature Photonics、Nature Energy、Nature Co妹妹unications、Chem、Chemical Society Review、Advanced Materials、Light: Science & Applications、Nano Letters、Angewandte Chemie International Edition等，他引4000余次，h果子36，多篇下被引论文。恳求/授权中国专利11项、好国专利1项。主持多项国家战省部级基金名目。

冉晨鑫，西北财富小大教柔性电子钻研院，副教授。经暂起劲于有机-有机杂化钙钛矿质料系统正在能源器件中的操做钻研，比去多少年去重面散焦正在情景不战型非铅钙钛矿太阳能电池规模。比去多少年去共宣告SCI论文40余篇。以第一/通讯做者正在Chem. Soc. Rev., Joule, Adv. Mater., ACS Energy Letters, Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等规模概况尾要期刊宣告论文16余篇，其中4篇进选ESI下被引论文。Google Scholar被援用1700余次，h果子为22。主持战减进多项国家省部级科研名目。

课题组相闭文章推选：

1. H. Ren, S. Yu, L. Chao, Y. Xia, Y. Sun, S. Zuo, F. Li, T. Niu, Y. Yang, H. Ju, B. Li, H. Du, X. Gao, J. Zhang, J. Wang, L. Zhang,* Y. Chen,* W. Huang,* “Efficient and stable Ruddlesden-Popper perovskite solar cell with tailored interlayer molecular interaction” Nat. Photonics.14 (2020) 154-163. https://doi.org/10.1038/s41566-019-0572-6

2. Liang, C., Gu, H., Xia, Y. et al. Two-dimensional Ruddlesden–Popper layered perovskite solar cells based on phase-pure thin films. Nat. Energy6, 38–45 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00721-5.

3. L. Chao, Y. Xia, B. Li, G. Xing, Y. Chen,* Wei Huang,* “Room Temperature Molten Salt for Facile Fabrication of Efficient and Stable Perovskite Solar Cells in Ambient Air” Chem5 (2019) 995-1006. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.02.025

4. D. Li, L. Chao, C. Chen, X. Ran, Y. Wang, T. Niu, S. Lv, H. Wu, Yi. Xia, C. Ran, L. Song, S. Chen, Y. Chen, W. Huang. In Situ Interface Engineering for Highly Efficient Electron-Transport-Layer-Free Perovskite Solar Cells. Nano lett.20 5799-5806 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01689

5. L. Chao, T. Niu, H. Gu, Y. Chen, W. Huang, Origin of high efficiency and long-term stability in ionic liquid perovskite photovoltaic. Research2020(2020) 2616345. https://doi.org/10.34133/2020/2616345

6. Efficient and Stable Low-Dimensional Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells Enabled by Reducing Tunnel Barrier. J. Phys. Chem. Lett.https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b00276

7. Tailoring Component Interaction for Air-Processed Efficient and Stable All-Inorganic Perovskite Photovoltaic. Angew. Chem. Int. Ed.59 13354-13361 (2020) https://doi.org/10.1002/anie.202004256

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