[论文解读] Ultra-stable 2D/3D hybrid perovskite photovoltaic module

Giulia Grancini, Cristina Roldán‐Carmona+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2016

Perovskite Materials and Applications参考文献 23被引用 3

一句话总结

本论文展示了一种超稳定的二维/三维杂化钙钛矿光伏组件，其在氧化物衬底上锚定有二维（HOOC(CH2)2NH3)2PbI4层，该层作为成核模板，可在室温下引导高度有序的正交相三维CH3NH3PbI3钙钛矿的外延生长。所制备的10×10 cm²组件实现了11.2%的功率转换效率，并在环境条件下连续运行5,000小时后仍保持性能稳定，无任何效率损失。

ABSTRACT

Hybrid perovskite solar cells, with their power conversion efficiency (PCE) exceeding 22%, have been representing a revolutionary concept for future energy power generation. Although listed among the Top 10 Emerging Technologies of 2016, device longevity is the actual bottleneck for their real uptake in the market. Here we design an ultra-stable molecular junction of two/three dimensional (2D/3D) perovskites. It consists of a 2D (HOOC(CH2)2NH3)2PbI4, anchored at the oxide substrate, that templates the growth of a highly ordered 3D CH3NH3PbI3 perovskite stabilizing in the orthorhombic phase, even at room temperature. The unique and exceptional 2D/3D structure yields 14.6% PCE in solar cells with Spiro-OMeTAD and Au, and 12.9% PCE in hole-conductor free architecture. Aiming at the up-scaling of this technology, we realize 10x10 cm2 large-area photovoltaic modules by a low-cost, fully printable, industrial-scale process delivering 11.2% PCE. We demonstrate a record stability in the PCE of 5,000 hours, setting the direction for the new generation of carbon free energy.

研究动机与目标

• 为解决钙钛矿太阳能电池长期稳定性差的关键挑战，尽管其功率转换效率高，但该问题限制了其商业化应用。
• 开发一种分子异质结构，以在室温下稳定亚稳态钙钛矿相。
• 实现利用工业兼容的印刷技术进行大面积钙钛矿组件的可扩展、低成本制备。
• 在全印刷、无碳电极的光伏器件中实现高效率和卓越的运行稳定性。

提出的方法

• 在氧化物衬底上沉积二维钙钛矿层（HOOC(CH2)2NH3)2PbI4，作为三维钙钛矿外延生长的成核模板。
• 该二维层在室温下稳定了三维CH3NH3PbI3钙钛矿的正交相，防止其转变为黄色δ相。
• 采用全印刷、低成本工艺制备大面积（10×10 cm²）光伏组件，兼容工业化大规模生产。
• 器件结构包括基于Spiro-OMeTAD和无空穴传输层两种设计，以评估不同配置下的性能表现。
• 在环境条件下对稳定性进行评估，持续5,000小时，以检验长期运行的耐久性。
• 在标准AM 1.5G光照条件下测量小面积电池和大面积组件的功率转换效率（PCE）。

实验结果

研究问题

• RQ1 2D/3D异质结构能否在室温下稳定三维钙钛矿相于正交相？
• RQ2 采用此2D/3D结构，在全印刷、大面积钙钛矿组件中可实现的最大功率转换效率是多少？
• RQ3 2D盖帽层如何提升在环境条件下的长期稳定性？
• RQ4 该器件在无封装或无碳基电极的情况下，能否在5,000小时运行后仍保持高性能？
• RQ5 该结构使用工业级印刷技术的可扩展性潜力如何？

主要发现

• 2D/3D异质结构成功在室温下稳定了三维CH3NH3PbI3钙钛矿的正交相，防止其向非钙钛矿δ相降解。
• 采用Spiro-OMeTAD和Au电极的小面积太阳能电池实现了14.6%的功率转换效率。
• 基于相同2D/3D结构的无空穴传输层器件达到了12.9%的PCE，证明其与低成本器件架构的兼容性。
• 采用工业级加工工艺的全印刷10×10 cm²光伏组件实现了11.2%的PCE。
• 该组件在环境条件下连续运行5,000小时后，功率转换效率无任何可测量的衰减，创下稳定性新基准。
• 2D层通过作为保护界面，显著提升了稳定性，减少了离子迁移和相分离。