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Inhibition of Sn2+ Oxidation in FASnI3 Perovskite Precursor Solution and Enhanced Stability of Perovskite Solar Cells by Reductive Additive

材料科学 钙钛矿(结构) 能量转换效率 化学工程 结晶度 手套箱 结晶 无机化学 有机化学 化学 复合材料 光电子学 工程类
作者
Md. Abdul Karim,Kiyoto Matsuishi,Md. Emrul Kayesh,Yulu He,Ashraful Islam
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (39): 45823-45833 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acsami.3c07903
摘要

Tin-based halide perovskite solar cells (Sn-PSCs) have attracted a progressive amount of attention as a potential alternative to lead-based PSCs (Pb-PSCs). Sn-perovskite films are fabricated by a solution process spin-coating technique. However, the efficiency of these devices varies significantly with the different batches of precursor solution due to the poor chemical stability of SnI2-DMSO and the oxidation of Sn2+ to Sn4+. This study investigated the origin of Sn2+ oxidation before film formation, and it was identified that the ionization of SnI2 in dimethyl sulfoxide (DMSO) causes the oxidation of free Sn2+ and I- ions. To address these issues, this study introduces the reductive additive 4-fluorophenylhydrazine hydrochloride (4F-PHCl) in the FASnI3 perovskite precursor solution. The hydrazine functional (-NH-NH2) group converted detrimental Sn4+ and I2 defects back to Sn2+ and I- in precursor solution while retaining the properties of the perovskite solution. Furthermore, the addition of 4F-PHCl in the precursor solution effectively slows the crystallization process, enhancing the crystallinity of FASnI3 perovskite films and guaranteeing the Sn2+/I- stoichiometric ratio, ultimately leading to a power conversion efficiency (PCE) of 10.86%. The hydrophobic fluorinated benzene ring in 4F-PHCl ensures moisture stability in perovskite films, allowing unencapsulated PSCs to retain over 92% of their initial PCE in an N2-filled glovebox for 130 days. Moreover, the 4F-PHCl-modified encapsulated PSCs showed superior operational stability for 420 h and maintained 95% of their initial PCE for 300 h under maximum power point tracking at 1 sun continuous illumination. This study's findings provide a promising pathway to create a controlled Sn-based perovskite precursor solution for highly reproducible and stable Pb-free Sn-PSCs.
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