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通过结晶调控提高锡基钙钛矿太阳能电池的性能

       有机无机杂化钙钛矿材料在光伏领域受到了广泛关注,然而铅基钙钛矿的毒性为其应用带来了一定的限制,开发无毒或低毒的非铅钙钛矿太阳能电池是非常必要的。其中,锡基钙钛矿材料具有理想的带隙和高的载流子迁移率,是一种低毒的光伏材料。目前,非铅锡基钙钛矿太阳能电池的效率达到了10%以上,证明锡基钙钛矿在光伏应用方面具有巨大潜力。但是锡基钙钛矿具有易氧化和空位缺陷较多的缺点,而且锡基钙钛矿结晶速率较快,造成薄膜缺陷较多,限制了锡基钙钛矿太阳能电池效率的进一步提升。

        近日,中国科学院大学孟祥悦教授、黄辉教授,中国科学院化学研究所胡劲松研究员和北京大学杨世和教授等人合作,以卤化锡钙钛矿为研究对象,根据钙钛矿结晶过程中的基本动力学和热力学理论,提出了一种基于预成核团簇(PNCs)的新型成核理论,构建了高质量的卤化锡钙钛矿太阳能电池器件。通过在FASnI3钙钛矿前驱体溶液中加入添加剂PDI2来调节钙钛矿前驱体溶液的胶体化学性质,在成核前钙钛矿前驱体溶液中已经形成稳定的团簇,这些预成核团簇作为中间相起到了降低成核能垒的作用,使得钙钛矿薄膜的成核过程更快更容易,从而得到低缺陷密度的高质量锡基钙钛矿薄膜。制备得到的太阳能电池器件效率达到11.39%,并且具有很好的光照稳定性。

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        本工作通过深入理解和精确控制锡基钙钛矿薄膜的结晶过程,提出了一种基于预成核团簇的新型成核理论,其对FASnI3钙钛矿的结晶度、形貌和光电性能有重要的调节作用。这种基于预成核团簇的非经典成核理论对钙钛矿薄膜材料结晶过程的理解有重要的启发性。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,孟祥悦教授是文章的第一作者兼通讯作者。

        原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

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Crystallization Kinetics Modulation of FASnI3 Films with Pre-nucleation Clusters for Efficient Lead-free Perovskite Solar Cells

Xiangyue Meng,* Yunfei Li, Yizhi Qu, Haining Chen, Nan Jiang, Minghua Li, Ding-Jiang Xue, Jin-Song Hu,* Hui Huang,* Shihe Yang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202012280


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