Additive strategy toward PbI2 film modifications for efficient perovskite solar cells fabricated in an air environment

钙钛矿(结构) 材料科学 纳米技术 化学工程 工程物理 光电子学 工程类
作者
Xiuzhen Zhang,Xiyu Wang,Xiaohuan Zhang,Yuanyuan Zhang,Yongxiu Sun,Lili Liu,Yan Wei,Ning Zhang,Changyuan Zhang,Linxing Shi
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:513: 163006-163006 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.cej.2025.163006
摘要

• PenAAc boosts PbI 2 crystallinity and grain size; 5-AVAI ensures uniform PbI 2 layer for enhanced quality. • Optimized PbI 2 films promote efficient organic salt reactions, forming high-quality perovskite layers. • Distinct mechanisms of 5-AVAI (uniformity) and PenAAc (crystallization) on PbI 2 /perovskite films revealed systematically. In the two-step method for perovskite film fabrication, insufficient reaction between organic ammonium salts and PbI 2 affects the active layer quality, resulting in poor power conversion efficiency (PCE). In this work, we introduce pentanamine acetic acid (PenAAc) and 5-aminovaleric acid iodine (5-AVAI) as two efficient additives to modify PbI 2 layer during perovskite films fabrication via the two-step method in an air environment. After additive modifications, the quality of both PbI 2 layers is improved: PenAAc enhances crystallinity and increases PbI 2 grain size, while 5-AVAI induces a uniform and smooth PbI 2 layer. The optimized PbI 2 films facilitate the reaction between PbI 2 and organic salts, yielding a high-quality perovskite layer with enhanced crystallinity and reduced defect density. In contrast, the macromolecule structure of 5-AVAI does not diffuse after annealing, remaining in the PbI 2 layer and exerting minimal influence on the perovskite surface. However, dissociative CH 3 COO − groups in PenAAc molecules diffuse from the PbI 2 layer to the perovskite surface during annealing, forming strong interactions between I - and Pb 2+ with CH 3 COO − groups. This further improves perovskite film quality and accelerates charge carrier extraction/transport in devices. Consequently, additive-modified perovskite solar cells achieve excellent PCEs of 24.50 % (5-AVAI) and 24.65 % (PenAAc), significantly surpassing the control device (22.84 %). Moreover, hysteresis index is reduced from 4.20 % (control) to 0.33 % (5-AVAI) and 0.08 % (PenAAc). Additionally, the modified devices also demonstrated enhanced environmental stability across humidity, light, and thermal stress conditions.
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