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用低温和高湿度致敬难以名状的2017年


Z. B. Zhang, Y. Zhou, Y. Y. Cai, H. Liu, Q. Q. Qin, X. B. Lu, X. S. Gao(高兴森), L. L. Shui, S. J. Wu(吴素娟), J.-M. Liu(刘俊明)


Efficient and stable CH3NH3PbI3-x(SCN)x planar perovskite solar cells fabricated in ambient air with low-temperature process


Journal of Power Sources 377 (2018) 52–58


这是我第一次为PLD网站撰写点什么,写点什么呢?!

首先,在2017年的最后一刻,我祝大家新年快乐、幸福、安康、成功!

我们关于高湿度环境下利用简单低温工艺技术制备高效钙钛矿太阳能电池的论文发表出来后,刘老师让我写个简单的介绍。笔未动、思先行,过去的一幕幕会涌上心头。

自2013开始,我们小组就开始钙钛矿太阳能电池的研究。记得我临近预产期的时候,走路很费劲,从理五栋回到南区教工楼这么一小段距离我要在路上歇两次。最后几周我实在走不动了,就约晓晓和汪文来教工楼下,我们一起讨论实验方案的设计以及实验中遇到问题的解决。时间过得真快,一晃眼,我的孩子已经过了四岁的生日,最开始做钙钛矿的学生也已经毕业一年多。经过近5年的磨砺,文章才在今年陆续出来。

当初,也请教过很多人同行。他们告诉我:钙钛矿太阳能电池很好做啊,研一的学生稍微做几次就很容易做到17%左右啊。再仔细一问,原来他们组的手套箱里面自带热蒸镀系统!整个电池的制备过程,全是在手套箱中进行的,器件完全不接触潮湿环境。也算是厉害了我的手套箱!

众所周知,纯卤素基的钙钛矿材料对湿度敏感,高湿度环境下容易分解。这就是钙钛矿电池的光电转换效率在地理因素上呈现北方高、南方低的主要原因。生活在南方的人估计由此得气死或者气疯!怪不得我这么不走运,到现在才认识到“地理决定成就”的新概念!^_^

但是,在我们组,热蒸镀设备在大楼南边的实验室,制备间在北边。拿着手套箱里面制备好的样品,需要兜一圈,去到南边的实验室蒸电极。这个过程做不到潘建伟老师他们那样和量子隐形传输,必须靠牛顿运动学规律一步一步从北边实验室走到南边实验室。在上半年“回暖天”的时候,大气湿度经常是90%多,墙上都结满大大的水珠,就像学生们的汗珠。

刚开始,样品一拿到热蒸发实验室这边,立马就由棕黑色直接变成白色。后来经过各种工艺改进,能够做到样品在飞奔进入热蒸镀实验室之前不变色,厉害吧我的脚步!遗憾的是,出来的器件效率很不理想,仅能勉强达到及格水平。尽管学生们都很努力,每天早出晚归在实验室不停地尝试,但由于我们实验条件的限制,基础效率始终上不去。及格水平的基础效率,即使有再好的Idea,出来的数据也会受到质疑。专家们会问:我们实验室的基础效率比你们改善后的还高,你们工作的意义何在?

这下可是急坏了我们,因为大家都明白:在广州,只有每年的国庆节之后到次年的一月份这短短四个月大气湿度比较低,做实验才不那么费劲。但是我们总不能一年只工作四个月,其它时间在家睡大觉吧!

在广泛查找文献的基础上,我们幸运看到了一位友人发表的工作。其中报导采用类卤素离子部分取代碘离子,可降低钙钛矿层对湿度的敏感性。但是,电池是通过高温工艺制备的,而且光电转换效率与纯卤素基的相比有待提高。鉴于此,我们尝试探索潮湿空气中采用简单低温工艺,看看能不能制备出高效率钙钛矿太阳能电池。我们采用两步法来制备钙钛矿层。第一层的铅源层,很容易出现漂亮的枝晶,这不利于高质量钙钛矿层的形成。只要第一层出现枝晶,出来的电池效率必定为个位数。

为了解决这一问题,我们历时将近八个多月摸索,经历各种尝试,得到的钙钛矿层晶粒比较小了,但容易有孔洞。在前人研究的基础上,我们又尝试引入碱金属的类卤素化合物来解决这一问题。经过各种优化,最终摸索出在潮湿空气中简单的低温工艺,就可以制备出高质量的钙钛矿电池。难得的是,未经封装的电池,在湿度为70%的空气中放置45天之后,效率仅降低了5%。

毫无疑问,这是一个“巨大”的进展,是我们小组长期努力的结果。我很欣慰能够看到这个“孩子”顺利地在《Journal of Power Sources》上诞生。虽然她未必很帅气和很招风,但给了我们机会来“用低温和高湿度致敬难以名状的2017年”。

(吴素娟撰稿)

Planar perovskite solar cells (PSCs) based on CH3NH3PbI3-x(SCN)x (SCN: thiocyanate) active layer and lowtemperature processed TiO2 films are fabricated by a sequential two-step method in ambient air. Here, alkali thiocyanates (NaSCN, KSCN) are added into Pb(SCN)2 precursor to improve the microstructure of CH3NH3PbI3-x(SCN)x perovskite layers and performance of the as-prepared PSCs. At the optimum concentrations of alkali thiocyanates as additives, the as-prepared NaSCN-modified and KSCN-modified PSCs demonstrate the efficiencies of 16.59% and 15.63% respectively, being much higher than 12.73% of the reference PSCs without additives. This improvement is primarily ascribed to the enhanced electron transport, reduced recombination rates and much improved microstructures with large grain size and low defect density at grain boundaries. Importantly, it is revealed that the modified PSCs at the optimized concentrations of alkali thiocyanates additives exhibit remarkably improved stability than the reference PSCs against humid circumstance, and a continuous exposure to humid air without encapsulation over 45 days only records about 5% degradation of the efficiency. These findings provide a facile approach to fabricate efficient and stable PSCs by low processing temperature in ambient air, both of which are highly preferred for future practical applications of PSCs.


图1. 不同添加剂引入对电池光电性能的影响。




图2. 电池微结构及光电转换效率随时间的变化。


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