紫外光辐照下CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池失效机制

随着光伏产业的不断发展,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研发成为科学与工业界广泛关注的焦点。到目前为止,其光电转换效率已经提高到了25.2%,成为替代硅基太阳能电池的核心方案之一。然而,钙钛矿太阳能电池的稳定性较差,容易受到环境中氧气、水分、温度甚至光照的影响,这严重制约了其大规模推广与应用。大量科学研究表明,如何避免紫外辐照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能衰减,对于提高钙钛矿太阳能电池的光照稳定性至关重要。然而到目前为止,仍然没有系统的工作来对紫外辐照下钙钛矿太阳能电池性能以及微结构演化过程进行详细的表征与分析。本文中,我们利用聚焦离子束-扫描电子显微分析(FIB-SEM)以及球差校正透射电子显微分析(TEM)等技术,全面地研究了紫外辐照过程中有机无机杂化钙钛矿太阳能电池性能变化规律以及电池微结构演化特征。实验结果表明,紫外辐照过程中太阳能电池内部会形成0.5–0.6 V的内建电场,钙钛矿中的I^-离子在电场的驱动下向金属Au电极和空穴传输层2, 2’, 7, 7’-四[N, N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)一侧迁移;随后,空穴传输层与金电极的界面处,碘离子与光生空穴一起与金电极发生反应,将金属态Au氧化成离子态Au⁺。而Au⁺离子则在内建电场的驱动下反向迁移穿过钙钛矿MAPbI₃层,直接被SnO₂和MAPbI₃界面处的电子还原形成金属Au纳米团簇。除此之外,紫外辐照过程中钙钛矿太阳能电池性能降低的同时,往往伴随着Spiro-OMeTAD与钙钛矿界面处物质迁移、钙钛矿薄膜内晶界展宽以及Au纳米颗粒周围MAPbI₃物相分解等现象。以上各种因素的协同作用,共同导致了紫外光照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换性能(PCE)、开路电压(V_oc)以及短路电流(J_sc)等性能参数的急剧下降。     

白光及紫外光辐照下甲氨碘化铅基钙钛矿太阳能电池降解机制差异

本工作实验对比了可见光以及紫外光辐照下甲氨碘化铅(CH₃NH₃PbI₃即MAPbI₃)基钙钛矿太阳能电池器件性能及微结构演变特征差异. 结果表明可见光辐照下钙钛矿太阳能电池器件中MAPbI₃层发生降解的同时, 伴随着Au元素从金属电极一侧向MAPbI₃和电子传输层SnO₂的界面处迁移现象. 但相较于紫外光, 可见光辐照下器件中Au元素的迁移速率慢30倍左右. 这是由于器件电子传输层SnO₂具有较低的价带顶位置(–8.4 eV), 它吸收紫外光激发出强氧化性的空穴h⁺, 氧化碘离子I^–生成I原子. 而I原子会对金属电极层产生较大的破坏作用, 促进Au⁺离子的形成. 因此可见光辐照下, 尽管器件开路电压V_oc一直保持较高的数值, 但是Au元素的迁移以及钙钛矿层的分解, 会引起短路电流密度J_sc的快速降低. 本文为钙钛矿太阳能电池光照不稳定性的机理解释, 提供了全新的理论依据.     

原位透射电子显微镜观察电荷驱动的氧化物纳米颗粒水中自组装

以四氧化三钴Co_3O_4纳米棒为研究对象,我们利用液体环境透射电子显微镜,原位观察了四氧化三钴纳米棒在水中的自组装过程。研究发现在电子束辐照的水环境下,四氧化三钴纳米棒的晶面存在互补式自组装现象。随着纳米棒之间的距离越来越近,纳米棒之间的相对运动速率逐渐增加,纳米棒之间的相互作用力逐渐增加。通过进一步分析纳米棒的形貌发现,纳米棒的暴露晶面大多数为{100}、{110}以及{111}晶面,而Co_3O_4属于极性氧化物,这些晶面往往会带有一定的电荷。在液体环境下,正是由于这些易暴露面都带有不同大小的电荷,在晶面电荷的驱动下,电荷属性相反的四氧化三钴纳米棒会互相吸引,形貌结构上进行互补,实现快速驱动的纳米棒之间自组装。