基于氨基酸衍生物盐酸盐添加剂制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池

doi:10.7503/cjcu20240044

摘要/Abstract

摘要：

钙钛矿太阳能电池的快速发展使其成为新能源领域最具竞争力的光伏器件之一，然而, 其在功率转换效率(PCE)和稳定性方面仍有很大的改进空间. 本文引入D-苯基甘氨酸甲酯盐酸盐(PGMECl)作为钙钛矿中的添加剂, PGMECl含有的苯环、酯基、 —NH₃⁺末端和Cl^-离子等多个官能团共同作用, 可与未配位的Pb²⁺反应, 钝化钙钛矿中的缺陷, 使钙钛矿晶粒更加致密、表面粗糙度下降、电荷载流子的非辐射复合减少, 并通过调整能级排列, 使其更适合在倒置钙钛矿太阳能电池中传输电荷. 实验结果表明, PGMECl改性器件的冠军效率为21.04%, 远高于基础器件(17.79%). 迟滞的减少也说明离子迁移的减少. 含有PGMECl添加剂的器件在空气中[相对湿度(RH)为（40±5）%]黑暗条件下未封装老化1000 h后, 功率转换效率仍可保持初始效率的70%, 而基础器件在保存500 h后效率降至50%.

关键词: D-苯基甘氨酸甲酯盐酸盐, 钙钛矿太阳能电池, 功率转换效率, 稳定性

Abstract:

The rapid development of perovskite solar cells（PSCs） has made them one of the most competitive photovoltaic devices in the field of new energy. However， there is still great room for improvement in photoelectric conversion efficiency（PCE） and stability. Here， an amino acid derivative hydrochloride was introduced as an additive in perovskite， D-phenylglycine methyl ester hydrochloride（PGMECl）. PGMECl contains a benzene ring， an ester group， —NH₃⁺ terminal and Cl^- ions. The multiple functional groups worked together to react with uncoordinated Pb²⁺， passivating defects in perovskite. The perovskite grains became denser， surface roughness decreased， and non-radiative recombination of charge carriers was reduced. By adjusting the energy level arrangement， it is more suitable for charge transfer in inverted perovskite solar cells. The results showed that the champion power conversion efficiency（PCE） of PGMECl modification device is 21.04%， which is much higher than that of control devices（17.79%）. The decrease in hysteresis effect also indicates a decrease in ion migration. Under unencapsulated conditions， devices containing PGMECl additives can still maintain a PCE of 70% of the initial efficiency after aging in the dark in air［（40±5）% relative humidity（RH）］ for 1000 h， while the efficiency of the basic device decreases to 50% after 500 h of storage.

Key words: D-phenylglycine methyl ester hydrochloride, Perovskite solar cell, Power conversion efficiency, Stability

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 12

Fig.1 Schematic diagram of PSC structure

Fig.2 Molecular structure of PGMECl(A), XPS spectra of the perovskite films(B), high⁃resolution XPS spectra of Pb4f (C), I3d (D) core level measured on the MAPbI3 with and without PGMECl

Fig.3 SEM images(A, B), the corresponding size distributions of the grains(C, D) and AFM images(E, F) of control perovskite film(A, C, E) and target perovskite film(B, D, F)

Fig.4 XRD patterns of perovskite films without and with PGMECl passivation under different concentrations

Fig.5 UV⁃Vis spectra of control and target perovskite films(A) and corresponding Tauc diagram(B)

Fig.6 Secondary electron cut⁃off(A) and valence band regions(B) of UPS spectra for the perovskite films, energy level diagram of the PSCs(C)(A) WF(control): 4.99 eV, WF(with PGMECl): 4.82 eV; (B) VBM(control): 0.47 eV, VBM(with PGMECl): 0.72 eV.

Fig.7 Steady⁃state(A) and time⁃resolved(B) PL spectra of the perovskite films deposited on ITO/glass substrates, dark J⁃V curves of the electron⁃only devices(C) and the hole⁃only devices(D)

Fig.8 Transient photovoltage characteristics(A) and transient photocurrent characteristics(B) of control device and target device, Nyquist plots of the control device and the device with PGMECl additive(C), Mott⁃Schottky plots of PSCs prepared with and without PGMECl treatment(D)Inset of (C): equivalent currunt diagram.

Fig.9 J⁃V curves of PSC after adding perovskite with different concentrations of PGMECl(A), EQE spectra of the control and target devices(B), reverse and forward scan J⁃V curves of the best PSCs with and without PGMECl(C)

Table 1 Parameters of the PSCs with different amounts of PGMECl

PSC	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
Control	1.108	21.324	75.26	17.79
With 0.3% PGMECl	1.114	22.653	81.68	20.61
With 0.5% PGMECl	1.134	22.883	81.07	21.04
With 1.0% PGMECl	1.128	21.733	79.06	19.38

Table 2 Champion performance of devices prepared with and without PGMECl treatment measured under reverse and forward scan

PSCs	Scan direction	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）	HI
Control	Reverse	1.074	22.019	78.76	18.63	4.8
Control	Forward	1.064	21.971	75.86	17.73
With PGMECl	Reverse	1.134	22.883	81.07	21.04	3.7
With PGMECl	Forward	1.128	22.571	79.17	20.26

Fig.10 Stability of the control device and the target device under ambient conditions[(40±5)% RH] aging for 1000 hInset： water contact angles of the corresponding perovskite films.

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