通过单盐调控晶体生长：提升太阳能电池性能的新策略

来自 实验室仪器网

研究人员发现，一种普通的盐可以通过让钙钛矿晶体有更多的时间生长来帮助太阳能电池捕获更多的能量。

在最近发表在《化学会杂志》上的一项研究中，科学家们提议使用硫氰酸胍（GASCN）来提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。这种盐被归类为离液剂，在卤化锡铅钙钛矿的结晶中发挥着令人惊讶但至关重要的作用。

利用高光谱成像和实时原位光致发光光谱的结合，该团队揭示了GASCN如何在成膜过程中影响晶体生长，特别是在退火后被忽视的冷却阶段。

钙钛矿的重要性

钙钛矿太阳能电池已成为传统硅基太阳能电池板的有前途的替代品。它们的生产成本更低，制造所需的能源更少，并且具有可调特性，使它们能够捕获更广泛的太阳光谱。这种灵活性使它们对于串联太阳能电池特别有用，串联太阳能电池将不同的材料分层以最大限度地提高光吸收。

在钙钛矿开发中，Sn-Pb鹵化物化合物因其可调节的带隙而脱颖而出，是全钙钛矿串联配置的理想选择。但是，生产这些电池的稳定、高效版本是一项技术挑战，特别是由于控制结晶过程的困难。

GASCN等添加剂提高了晶体质量，但其背后的潜在光物理机制仍不清楚。

为了测试GASCN添加剂的有益特性，研究人员在Sn-Pb钙钛矿前驱体溶液中添加了不同浓度的盐（5%、10%和20%）。为了进行比较，他们还测试了碘化胍（GAI）和硫氰酸钠（NaSCN）。

制备完成后，这些材料经过标准表征技术，包括扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射和紫外-可见光谱。然后，产生的薄膜用于制造钙钛矿太阳能电池，并在模拟阳光下进行测试。

研究人员还使用了使用405nm激光器的定制原位光致发光装置来实时监测薄膜的结晶情况。这与稳态和时间分辨光致发光测量相结合，以评估光电特性，例如载流子寿命和非辐射损耗。

他们发现添加GASCN有明显的改善迹象。单盐大大减慢了晶体生长的速度，特别是在退火后的冷却阶段。与溶剂蒸发后结晶结束的普遍假设相反，该团队发现GASCN允许在此阶段继续生长，从而产生具有连接良好、均匀晶粒结构的更光滑的薄膜。

原位光致发光数据显示，冷却期间发射强度瞬时增加，表明该阶段薄膜形成增强。这种长期增长导致缺陷减少和结构一致性提高，这两者对于高效的太阳能转换都至关重要。

胍阳离子和硫氰酸盐阴离子与钙钛矿晶格的相互作用有助于钝化缺陷，例如卤化物空位和配位不足。这减少了非辐射复合并延长了电荷载流子的寿命，这是高质量薄膜的关键指标。

设备性能：盐驱动的提升

与GASCN集成的钙钛矿太阳能电池实现了22.34%的功率转换效率，这是Sn-Pb混合钙钛矿器件的显着基准。除了这种相对较高的效率之外，由于结晶途径受到更受控，薄膜还显示出更高的稳定性。

相比之下，不含GASCN的对照样品在退火过程中表现出快速、不受控制的生长，导致薄膜更粗糙，性能更低。

该研究强调了GASCN成功背后的三个关键机制：退火过程中的早期成核、增强的Ostwald成熟以及冷却期间持续、适度的生长。这些综合效应使晶体结构更加能量有利和耐缺陷，最终提高器件性能。

结论：一种具有广泛潜力的简单添加剂

这项研究证明了相对简单的盐如何显着影响钙钛矿结晶动力学，从而产生更高效、更耐用的太阳能电池。GASCN改善了晶粒尺寸和表面均匀性，减少了缺陷，延长了充电寿命，这是钙钛矿太阳能电池性能的核心指标。

凭借超过22%的效率和对添加剂如何影响晶体生长的更清晰的了解，这项工作为离液剂在钙钛矿工程中的更广泛应用铺平了道路。未来的研究可能会集中在其他类似化合物上，例如咪唑盐、尿素衍生物或磺酸基试剂，以进一步优化串联太阳能电池的设计。

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