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 高等学校化学学报    2024, 45 (5): 20240044-.   DOI:10.7503/cjcu20240044

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)

正文中引用本图/表的段落

PGMECl的分子式如图2（A）所示. 为了证明PGMECl分子和钙钛矿之间的化学相互作用， 使用XPS测试了钙钛矿薄膜［图2（B）］. 为了便于区分， 将无添加剂的薄膜称为基础膜， 具有PGMECl的膜称为目标膜. Pb_4f 和I_3d 特征峰的高分辨率XPS谱图分别见图2（C）和（D）. 与基础膜相比， Pb_4f7/2和Pb_4f5/2峰向较低的结合能移动， 表明未配位的Pb2+离子接受来自PGMECl的电子对［30，31］. 类似地， I-的两个峰向较低的结合能移动， 可归因于不配位的Pb2+引起的链式反应［32］. 这为PGMECl中带负电荷缺陷的钝化提供了证据. Cl_2p 的特征峰如图S1（见本文支持信息）所示， 优化前后的钙钛矿薄膜均没有明显的Cl_2p 信号， 因为氯离子会在退火过程中挥发而不进入钙钛矿晶格， 这种现象已多有报道［28］. 图S2（见本文支持信息）显示了N_1s 的高分辨率XPS谱图， 402 eV处的峰对应于MAPbI₃钙钛矿相中的N—H键［33］， 峰值的移动说明PGMECl与钙钛矿之间发生作用. C_1s 的高分辨率XPS能谱如图S3（见本文支持信息）所示， 284.8和286 eV处的2个峰分别归属于钙钛矿畴晶界处形成的一些非钙钛矿物质（C—C）和钙钛矿的 C—N［33］. 优化后的薄膜在288.2 eV处有一个弱峰， 归属于PGMECl的O=C—O. O=C—O在PGMECl中的高极化特性可以通过离子键与Pb2+进行强配位. 基础器件在此处也检测出一个极小的峰， 可能是钙钛矿薄膜受到污染所致［34］. O_1s XPS能谱如图S4（见本文支持信息）所示， 在基础膜中， 由于受到污染等原因， 也检测到了氧［35］. 优化的膜中O强度更高， 说明薄膜表面存在添加剂.

通过SEM对钙钛矿膜的表面进行表征［图3（A）和（B）］. 通过分析SEM照片中的晶粒尺寸， 基础膜和目标膜的统计分布分别如图3（C）和（D）所示. 可见， PGMECl的加入仅略微增加了晶粒尺寸， 可能是由于Cl-的加入导致结晶动力学较慢. 由于Cl-比I-更具电负性， Pb—Cl键比Pb—I键具有更强烈的相互作用， 并且钙钛矿前驱体优先与Cl-发生相互作用， 先形成MAPbCl₃， 后转化为MAPbI₃［36］. 与晶粒尺寸的微小变化相比， 晶粒形态的变化更大. 原始钙钛矿膜的表面尖锐有棱角. 经PGMECl改性后， 样品变钝， 晶粒分布均匀致密. 晶界的减少， 即表明潜在的非辐射复合中心的减少. 为了证明这一点， 通过原子力显微镜（AFM）进一步表征钙钛矿膜的表面， 以获得表面粗糙度［图3（E）和（F）］， 3D模型如图S5（见本文支持信息）所示. 随着PGMECl的引入， 钙钛矿膜的均方根（RMS）从15.9 nm降至10.7 nm， 说明表面更加平整光滑， 有利于与电子传输层更好地接触.

本文的其它图/表

• 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 Pb_4f (C), I_3d (D) core level measured on the MAPbI₃ with and without PGMECl
• 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) W_F(control): 4.99 eV, W_F(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
• Table 2  Champion performance of devices prepared with and without PGMECl treatment measured under reverse and forward scan
• 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.