钙钛矿太阳能电池（PVSC）作为一种很有前途的新一代光伏器件，在最近几年表现出了前所未有的快速发展。然而，该器件的开发应用受到长期稳定性限制，而其光电转化效率也有待于进一步提高。近日，中国华侨大学材料学院吴季怀教授课题组通过引入氟化钆（GdF3）氧化还原梭子和氨基丁醇蒸气奥斯特瓦尔德熟化来调控钙钛矿生长，发现该过程可以有效地抑制钙钛矿薄膜的缺陷产生和减少晶界，从而提高器件的稳定性和光电性能。
图1. 基于奥斯特瓦尔德熟化的钙钛矿生长调控
在过去十年里，钙钛矿太阳能电池（PVSC）作为一种很有前途的新型光伏器件，经历了前所未有的快速增长，其效率从3.8%提升到25.2%。然而，钙钛矿电池在水分、受热和紫外线等外部条件下，表现出严重的不稳定性，并且钙钛矿晶体内部的缺陷和晶界的限制了器件光电性能的提高。
图2. 钙钛矿太阳能电池光电性能
为了克服内部缺陷和外部湿度的双重困境，中国华侨大学材料学院吴季怀教授课题组设计了一种基于奥斯特瓦尔德（Ostwald）熟化的钙钛矿生长调控新策略，有效地提高器件的稳定性和光电转化效率。如图1所示，将无机盐GdF3作为氧化还原梭子引入到钙钛矿前驱体溶液，并旋涂在TiO2层上，GdF3可与空位缺陷反应，在钙钛矿晶体生长过程中减少缺陷。随后用具有氨基和羟基双官能团的氨基丁醇蒸气对钙钛矿薄膜进行熟化处理。在熟化过程中，氨基丁醇分子将钙钛矿小晶粒吃掉，生长钙钛矿大晶粒，这是一个典型的奥斯特瓦尔德熟化过程。因此，小晶粒数量减少，大晶粒的数量增加，形成晶粒大、晶界少、高品质的钙钛矿薄膜。用处理过的钙钛矿组装太阳能电池，其光电转化效率高达21.2%（图2），并且具有良好的稳定性和较小的滞后现象。而没有氨基丁醇和氟化钆处理的器件，其光电转化效率只有18.10%。
该工作设计一种基于奥斯特瓦尔德熟化的钙钛矿生长调控策略，有效地改善了钙钛矿晶体生长质量，提高电池的效率和稳定性。该策略也可用于其它晶体材料生长和光伏器件开发，研究结果发表在Advanced Materials 上。文章第一作者是华侨大学博士研究生杨育倩。
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Suppressing Vacancy Defects and Grain Boundaries via Ostwald Ripening for High-Performance and Stable Perovskite Solar Cells
Yuqian Yang, Jihuai Wu, Xiaobing Wang, Qiyao Guo, Xuping Liu, Weihai Sun, Yuelin Wei, Yunfang Huang, Zhang Lan, Miaoliang Huang, Jianming Lin, Hongwei Chen, Zhanhua Wei
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201904347
作者简介
吴季怀教授现任环境友好功能材料教育部工程研究中心主任、福建省光电功能材料重点实验室主任、华侨大学材料物理化学研究所所长，主要研究领域为染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、光催化纳米插层材料、超级电容器等光电材料和器件，以第一作者/通讯作者身份在Chem Rev、Chem Soc Rev、Adv Mater、J Am Chem Soc、Energy Environ Sci 等国际学术刊物上发表被SCI收录400多篇，是Clarivate交叉学科高被引科学家，Elsevier材料学科中国高被引学者，RSC综合化学类Top 1%中国高被引作者。
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