摘要
关键词
- 钙钛矿太阳能电池 (Perovskite Solar Cells)
- 掺杂剂 (Dopant)
- 添加剂 (Additive)
- 稳定性 (Stability)，光伏效率 (Photovoltaic Efficiency)，模块化生产 (Module Production)，离子液体 (Ionic Liquid)
研究背景
钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能而备受瞩目。然而，与实验室小尺寸器件相比，大面积钙钛矿太阳能电池在效率、稳定性及可重复性方面存在显著差距，这成为其商业化推广的主要障碍。以往的研究表明，通过添加适当的掺杂剂和添加剂，可有效提高钙钛矿薄膜的结晶性、稳定性并减少缺陷。本研究在此基础上，创新性地结合MACl与离子液体[Bcmim]Cl，系统探索其协同作用对钙钛矿薄膜及光伏性能的影响。
创新点
- 提出了掺杂剂与路易斯碱性离子液体的协同作用策略，提高钙钛矿薄膜的结晶性和稳定性。
- 开发了27.22 cm²面积模块的钙钛矿太阳能电池，达到目前最高的认证效率（23.30%）。
- 验证了该方法对模块长期运行稳定性的提升（1000小时后效率保持率达94.66%）。
- 系统研究了离子液体与掺杂剂间的相互作用机制及对光伏性能的影响。
研究内容
本研究通过结合氯化甲基铵（MACl）与路易斯碱性离子液体[Bcmim]Cl，制备了高质量的钙钛矿薄膜。实验采用N-i-p器件结构，通过优化MACl与[Bcmim]Cl的浓度，显著提高了薄膜的结晶性与均匀性，抑制了薄膜中的缺陷态复合。同时采用X射线衍射、扫描电子显微镜和光致发光等技术，验证了该策略对薄膜相纯度和载流子寿命的提升。此外，利用刀片涂布法制备大面积模块（27.22 cm²），认证效率达23.30%。在长时间热老化与光照下，该模块表现出优异的稳定性，初始效率维持率分别达到94.66%与87.19%。
(a) 目标器件的截面SEM图像。比例尺为1 µm。
(b) 一个PSM的照片。
(c) 短路电流（\(I_\text{SC}\)）、开路电压（\(V_\text{OC}\)）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）的分布。
(d) 经过三个连续测试的认证PSM的电流-电压（I-V）曲线，包含正向扫描和反向扫描。
(e) 认证PSM的稳定输出功率（SPO）性能。
(a) 对照组的光谱。
(b) 目标组的光谱。MFAI（2.78 ppm）和DMFAI（2.94 ppm）的关键峰被高亮标注。光谱每15分钟在d6-DMSO:d7-DMF混合物中记录，比例与PSC的制备一致，强度归一化到残留溶剂峰（*）。
(c) [Bcmim]Cl促进的PPS稳定机制。
(a) MACl溶液在不同离子液体浓度下的1H NMR光谱，包括[Bcmim]Cl、[Cmmim]Cl、[Dmim]Cl和[Bmim]Cl。
(b) 全宽半高（FWHM）随离子液体/MACl浓度比的变化。
(c) MA+ NH峰的化学位移随离子液体/MACl浓度比的变化。
(a) 仅含MACl的控制PTF在退火（100 °C）过程中的XRD图谱。6.79°和7.41°的峰对应溶剂化相S1，9.41°的峰对应溶剂化相S2。11.99°、13.39°和14.15°的峰分别对应2H相（δ相）、六方相（4H）和3C相（α相）。
(b) 同时含有[Bcmim]Cl和MACl的目标PTF在退火（100 °C）过程中的XRD图谱。
(c) 不含MACl或[Bcmim]Cl的PTF在退火（100 °C）过程中的XRD图谱。
(d) 仅含[Bcmim]Cl的PTF在退火（100 °C）过程中的XRD图谱。
(e) 不同条件下PTF在100 °C退火60分钟及150 °C退火10分钟后的XRD图谱，12.70°的峰对应PbI2的（001）峰。
(a) 和(b) 未退火PTF的负模和正模SIMS极性成像。
(c) 和(d) 在100 °C退火60分钟后及150 °C退火10分钟后的负模和正模SIMS极性成像。SE表示二次电子。比例尺为1 µm。
结论与展望
本文提出了一种协同掺杂剂-添加剂策略，通过稳定钙钛矿前驱体溶液和提高薄膜质量，实现了高效率和高稳定性的太阳能电池模块。研究揭示了MACl与[Bcmim]Cl的协同作用机制，为钙钛矿太阳能电池的大规模生产与商业化提供了新思路。
论文直达
原文标题：Dopant-additive synergism enhances perovskite solar modules
Nature 2024, 628, 299–304.
点击以下链接阅读原文：