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SAXSFocus成果速递|稳定高效钙钛矿光伏电池的巯基功能化共轭金属-有机框架

发布时间:2024-10-21 13:49:31    浏览次数:

 SAXSFocus成果速递|稳定高效钙钛矿光伏电池的巯基功能化共轭金属-有机框架(图1)


一、导引

金属有机框架(MOF)因其具有提升光电性能和器件稳定性的潜力,近年来在钙钛矿光伏领域引起了广泛研究。然而,MOF侧链变化对钙钛矿特性的影响以及 MOF/钙钛矿薄膜的形成机制仍不清楚。在本工作中,胡汉林副教授团队系统地研究了三种纳米级硫醇官能化的UiO-66ZrMOFUiO-66-(S H) 2UiO-66-MSAUiO-66-DMSA)在钙钛矿太阳能电池(PSC)中的原位形成机制,并分析了这些MOF材料对提高所制备器件光电性能和稳定性的影响。


二、实验概述

研究人员利用两步法来制备钙钛矿薄膜,选择UiO-66MOF材料修饰钙钛矿层。如图1所示:


SAXSFocus成果速递|稳定高效钙钛矿光伏电池的巯基功能化共轭金属-有机框架(图2)

Figure 1. The crystal structures schematic of a) UiO-66-(SH)2, b) UiO-66-MSA, and c) UiO-66-DMSA. H atoms have been hidden for clarity. Optimized crystal structures and charge accumulation (pink) and depletion (cyan) of MAPbI3 (001) surface with side-chain of d) UiO-66-(SH)2, e) UiO-66-MSA, and f) UiO-66-DMSA. g) The calculated binding energies result. h) PL and i) TRPL spectra of the pristine, UiO-66-(SH)2, UiO-66-MSA, and UiO-66-DMSA assisted perovskite films


利用密度泛函理论(DFT)计算研究了UiO-66有效抑制钙钛矿表面碘空位形成的能力。为了简化 DFT 计算,估算了侧链与钙钛矿 (001) 表面的相互作用。虽然三个硫醇官能化的侧链分子可以与钙钛矿表面的Pb2+离子相互作用,但通过UiO-66-(SH)2侧链上的H+原子与钙钛矿表面的I原子相互作用。计算出UiO-66-(SH)2与钙钛矿的相互作用最强,说明表现出更强的PL发射和更长的TRPL载流子寿命。这表明UiO-66-(SH)2可以更有效地钝化钙钛矿表面的Pb2+I缺陷,减少UiO-66-(SH)2/钙钛矿界面处的非辐射复合,提高钙钛矿薄膜质量。


研究中利用COHPFTIRXPS表征方法进一步研究化合物的化学性质,多方面表明UiO-66-DMSA的加入提高了钙钛矿材料Pb-S键的稳定性。


SAXSFocus成果速递|稳定高效钙钛矿光伏电池的巯基功能化共轭金属-有机框架(图3)

Figure 2. a–c) The COHP illustrated the stability of Pb-S bonds for the adsorption of a) UiO-66-(SH)2, b) UiO-66-MSA, and c) UiO-66-DMSA on the perovskite surface, where negative values (-COHP) represent antibonding interactions (downside), positive values represent bonding interactions (upside), and zero represents the Fermi level. d) FTIR spectra of the films from equimolar ratios of PbI2 and UiO-66-(SH)2, UiO-66-MSA, and UiO-66-DMSA, respectively. e) XPS measurements of Pb 4f, f) The fitted results of the Pb0/(Pb0+Pb2+) ratio, and g) X-ray diffraction spectra (XRD) of PbI2 film


SAXSFocus成果速递|稳定高效钙钛矿光伏电池的巯基功能化共轭金属-有机框架(图4)

Figure 3. Time evolution of operando synchrotron radiation-based GIWAXS data plotted as azimuthally integrated line profiles and corresponding GIWAXS intensity profiles along the qr direction measured points every 50 s for the a,c) pristine and b,d) UiO-66-(SH)2-assisted perovskite film. e) A magnified view of c,d) at q = 0.91 Å–1 (PbI2 phase) for pristine (left) and UiO-66-(SH)2-assisted perovskite film (right). f) The extracted intensity as a function of time for q = 1.01 Å−1 (perovskite phase)


SAXSFocus成果速递|稳定高效钙钛矿光伏电池的巯基功能化共轭金属-有机框架(图5)

Figure 4. Reference and MOF-assisted GIWAXS of lead iodide and perovskite films


在研究碘化铅和钙钛矿薄膜的结晶质量和晶体结构,采用了掠入射广角X射线散射法(GIWAXS),所用设备型号为安徽国科小角X射线散射仪(SAXSFocus 3.0 安徽国科,GKINST Co.,LTD.。同时证实MOF材料的引入能有效减少了三维钙钛矿表面上的残留碘化铅,并显著抑制了非辐射复合过程。研究人员在组装的PSC中实现了24.09%PCE


三、总结

在本次工作中,研究了三种巯基功能化的MOF材料对钙钛矿光伏器件的显著影响,深入探讨了UiO-66-(SH)2在钙钛矿表面钝化中的作用。原位GIWAXS测量揭示了碘化铅向钙钛矿相的完全转化过程,并展示了UiO-66-(SH)2对钙钛矿结晶路径的调控作用。GIWAXS能够帮助我们更深入地理解钙钛矿晶体的特性,还能够揭示其内部的微观机制。让我们能够更精确评估MOF对钙钛矿薄膜结晶质量和残留碘化铅的影响,进而优化钙钛矿太阳能电池的性能。

 

[1]Liang X, Singh M, Wang F, et al. Thiol‐Functionalized Conjugated Metal-Organic Frameworks for Stable and Efficient Perovskite Photovoltaics[J]. Advanced Science, 2024, 11(4): 2305572.

DOI10.1002/advs.202305572


SAXSFocus 3.0设备简介

SAXSFocus成果速递|从自成核前体开始的流动诱导结晶(图9)

SAXS Focus 3.0是一款多功能小角/广角(SAXS/WAXS)X射线散射测试系统,同时具备小角X射线散射和广角X射线的功能,并可以联机联用。配合超大样品仓,多功能样品台、高真空度飞行管,可以覆盖固体粉晶、液体溶液、胶体、薄膜、纤维等各种形态、各种尺寸的样品。

l  全方位角二维散射图谱的采集功能

l  具备超小角功能,达到极低的q(qmax 50 nm-1~ qmin 0.007 nm-1)

l  可配备高亮度液态靶光源和无噪音单光子计数探测器

l  可实现无光束阻挡器数据采集

l  真空探测器,可在真空管路内沿入射光路方向可全程自动移动、

 

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