上海交大:大面积钙钛矿光伏组件的绿色制备

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近日,上海交通大学环境科学与工程学院赵一新教授团队在Nature Sustainability发表了题为“Green solvent enabled scalable processing of perovskite solar cells with high efficiency”的研究论文。在该工作中,通过开发新型绿色溶剂,解决了钙钛矿墨水存储稳定性难题,并实现了高性能大面积钙钛矿光伏组件的绿色环保制备。上海交通大学环境科学与工程学院助理研究员缪炎峰和博士生任孟为该研究工作的共同第一作者,赵一新教授与王天富长聘副教授为共同通讯作者。

钙钛矿太阳能电池的优势之一是可以通过溶液法来低成本、低能耗地制备高性能器件。目前常用的溶剂是N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜(DMF:DMSO),为了提高薄膜的光电性能,还会使用氯苯作为反溶剂来调控钙钛矿的结晶过程。然而,DMF:DMSO和氯苯都是有毒溶剂,因此面临着人体毒性和环境污染的问题。同时,基于DMF:DMSO的钙钛矿墨水还存在着存储稳定性差(小于2天)和成膜过程操作窗口窄(几秒钟)的难题,进一步限制了钙钛矿光伏的大规模生产。此外,由于DMF:DMSO与碘化铅的强相互作用,使得甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)薄膜制备过程中会先形成黄相非钙钛矿(δ-FAPbI3),然后再经过退火转变为具有光电性能的黑相钙钛矿(α-FAPbI3)。这就导致α-FAPbI3薄膜中存在少量的δ-FAPbI3残留,从而影响了太阳能电池的长期稳定性。

图1 DMF:DMSO溶剂面临的问题及GVL溶剂的优势

为解决上述问题,赵一新团队报道了一种基于绿色溶剂制备大面积钙钛矿薄膜及组件的方法。团队发现,使用可以由生物质合成的绿色γ-戊内酯(GVL)作为溶剂能大幅度提升钙钛矿墨水的存储稳定性(超过一年)。溶液化学研究表明,GVL和FA+阳离子具有更强的氢键作用,因此能够显著提高FA+阳离子的稳定性,并扩展了薄膜制备的操作窗口,从而能够通过反溶剂浴对大面积钙钛矿薄膜的结晶过程进行有效调控。基于该工艺的FAPbI3钙钛矿太阳能电池的效率达到了25.09%。这种方法还帮助实现了5cm × 5cm和10cm × 10cm光伏组件的可控制备,并获得了国际领先的22.06%和20.46%的活性面积效率。值得注意的是,此项工作中所用的溶剂GVL和反溶剂乙酸丁酯都是可作为食品添加剂的无毒溶剂,并且GVL可通过生物质合成获得,因此该绿色溶液体系解决了钙钛矿太阳能电池制造过程的安全环保难题。

图2 基于GVL的钙钛矿墨水制备的光伏组件及性能

此项工作深入研究了钙钛矿墨水的溶液化学特性,揭示了FAPbI3的GVL溶液体系中[PbIx]2-x以及FA+和GVL间的强相互作用,解决了钙钛矿墨水面临的毒性大、稳定性差、操作窗口窄的难题,为进一步研究和开发基于新型绿色溶剂的钙钛矿器件/组件提供了重要思路。该研究得到国家自然科学基金、上海市优秀青年学术带头人、上海市自然科学基金等项目的资助。

责编: 爱集微
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