优化CH₃NH₃PbI₃形貌提升钙钛矿太阳能电池性能

摘要

我们研究了两步湿法过程中甲基碘化铵（MAI）浓度变化对CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜形貌和光伏性能的影响。器件结构——玻璃/FTO/TiO₂-介孔/CH₃NH₃PbI₃/spiro-OMeTAD/Ag——制备于1.5×1.5 cm² FTO基底。通过系统调节旋涂速度和退火温度，优化薄膜质量，实现17.42%创纪录功率转换效率（PCE），开路电压（Voc）0.97 V，短路电流密度（Jsc）24.06 mA cm⁻²，填充因子（FF）0.747。

背景

有机-无机钙钛矿已成为下一代薄膜光伏领军候选材料，过去十年PCE从3.8%攀升至22%以上。两步法制备——先沉积PbI₂，再经MAI暴露转化为CH₃NH₃PbI₃——因薄膜均匀性和可扩展性优势而受青睐。

尽管大量工作优化前驱体化学和沉积参数，但MAI浓度对晶粒生长、表面覆盖率及最终器件性能的具体影响仍未充分探索。本文系统变化MAI水平（10 vs 40 mg mL⁻¹），表征所致形貌、结晶度、光电性质，阐明其对PCE的影响。

方法

FTO玻璃（1.5×1.5 cm²）依序用丙酮、乙醇、去离子水清洗，氮气吹干。500 °C喷雾热解沉积50 nm TiO₂致密层，随后旋涂介孔TiO₂层（Dyesol 18NR-T）并450 °C退火。PbI₂（1 M DMF，70 °C）7000 rpm旋涂；薄膜浸入10或40 mg mL⁻¹ MAI/IPA 30 s，干燥后退火（100-120 °C）20 min。

空穴传输层（spiro-OMeTAD，0.170 M）掺杂LiTFSI（60 mM）和TBP（200 mM），4000 rpm旋涂。热蒸发100 nm Ag电极，遮光罩定义2×5 mm²有效面积。AM1.5G光照（100 mW cm⁻²）下用Keithley 2400测J-V曲线。SEM、XRD、UV-vis、PL（稳态和TRPL）表征形貌、结晶度、光吸收、载流子动力学。

结果与讨论

SEM图像（图2）显示低MAI薄膜呈大四方晶粒、表面覆盖率一般；高MAI薄膜形成致密光滑~200-600 nm晶体（图3）。XRD（图4）证实最佳退火（高MAI>80 °C）得单一CH₃NH₃PbI₃相，低温残留PbI₂降低效率。

光致发光数据（图5）显示低MAI薄膜峰值发射768 nm（寿命25 ns），高MAI红移至773 nm且寿命缩短至14 ns——表明TiO₂界面载流子提取高效。

器件性能（图8）表明高MAI电池Jsc高~2 mA cm⁻¹（得益于吸收和电荷传输改善），低MAI电池Voc略高（可能因残留PbI₂）。50器件统计，高MAI工艺平均PCE 13.7%（σ=1.28%），>75%器件一阳光照射下超13%。最优电池达17.42%效率，0.97 V Voc，24.06 mA cm⁻² Jsc，0.747 FF。

结论

两步钙钛矿沉积路线中调节MAI浓度有效裁剪晶粒尺寸和表面形貌，直接影响光伏指标。高MAI工艺产出致密无缺陷薄膜，实现17.42%高效、可复现钙钛矿太阳能电池。本研究凸显前驱体化学计量比和热处理在规模化高性能钙钛矿光伏中的关键作用。

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纳米材料