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氣—固相法制備高取向性及高穩(wěn)定性的鈣鈦礦薄膜

來源: X-MOL 2017-06-20 09:54:38

近年來，有機(jī)金屬雜化鈣鈦礦薄膜因其優(yōu)良的光電性能得到了廣泛的研究和關(guān)注，該材料太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已從2009年的3.8%，迅速地提升到了如今的22.1%，但其穩(wěn)定性和大規(guī)模制備的挑戰(zhàn)仍然阻礙著鈣鈦礦電池的工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用。近日，香港中文大學(xué)電子工程系的鈣鈦礦太陽能電池研究團(tuán)隊(duì)首次利用低分壓MA（甲胺）氣體，基于MA+HPbI3（氣+固）反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了快速制備大面積、高效率、高結(jié)晶性及高穩(wěn)定性的CH3NH3PbI3鈣鈦礦薄膜。

為了達(dá)到高穩(wěn)定性、大面積且易于制備等目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)提出并設(shè)計(jì)了一種氣體反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了在室溫和大氣環(huán)境下制備大面積高結(jié)晶性鈣鈦礦薄膜。這一簡易的制備方法通過使用氣體反應(yīng)器調(diào)節(jié)MA氣體與空氣混合氣體的分壓，與已沉積好的HPbI3薄膜進(jìn)行反應(yīng)，能快速（30秒）且批量地制備出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了18.9%。由該方法制備的鈣鈦礦薄膜具有高取向性的結(jié)構(gòu)，結(jié)晶性接近于單晶鈣鈦礦，表面的粗糙度極小，且組分中MA含量稍多于化學(xué)計(jì)量比。組分中富余的MA分子能起到晶粒之間的交聯(lián)作用，從而有利于晶體的高取向性和致密性。此外，富余的MA分子能夠在潮濕環(huán)境中與水分子結(jié)合，形成類似于鈣鈦礦的衍生物，從而阻止了水對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)本身的破壞，減緩了退化過程，從而大幅度地提高了薄膜濕度穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，這一方法制備的鈣鈦礦薄膜能夠在約65%濕度的環(huán)境中維持其鈣鈦礦結(jié)晶性近兩個(gè)月，這種高穩(wěn)定的CH3NH3PbI3鈣鈦礦薄膜也是第一次在文獻(xiàn)中報(bào)道。同時(shí)，利用此氣—固反應(yīng)過程和反應(yīng)器，能夠制備出致密的大面積鈣鈦礦薄膜（5×5 cm2），這在工業(yè)化生產(chǎn)中具有很好的規(guī)模化優(yōu)勢。該方法具有生產(chǎn)成本低、環(huán)境依賴性小、制備周期短、大面積制備、高效率及高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，將有力地推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用，值得進(jìn)一步研究。

這一成果近期發(fā)表在Nano Energy 雜志上。該課題組在鈣鈦礦電池研究方面取得了一系列的突破和成果，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Energy Materials、Nano Energy 等期刊上，主要致力于有機(jī)—無機(jī)雜化鈣鈦礦反應(yīng)和退化機(jī)理的研究，以提高其長期的濕度及熱穩(wěn)定性。

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