Grain Boundary Engineering with Self-Assembled Porphyrin Supramolecules for Highly Efficient Large-Area Perovskite Photovoltaics

晶界 钝化 钙钛矿(结构) 化学 微晶 光伏 材料科学 化学工程 纳米技术 光伏系统 结晶学 微观结构 有机化学 工程类 图层(电子) 生物 分子 生态学
作者
Zihan Fang,Luyao Wang,Xijiao Mu,Bin Chen,Qiu Xiong,Wei David Wang,Jiaxin Ding,Peng Gao,Yiying Wu,Jing Cao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (45): 18989-18996 被引量:117
标识
DOI:10.1021/jacs.1c07518
摘要

Grain boundary management is critical to the performance and stability of polycrystalline perovskite solar cells (PSCs), especially large-area devices. However, typical passivators are insulating in nature and limit carrier transport. Here, we design a supramolecular binder for grain boundaries to simultaneously passivate defects and promote hole transport across perovskite grain boundaries. By doping the monoamine porphyrins (MPs, M = Co, Ni, Cu, Zn, or H) into perovskite films, MPs self-assemble into supramolecules at grain boundaries. Organic cations in perovskites protonate MPs in supramolecules to form ammonium porphyrins bound on the perovskite grain surface, to passivate defects and extract holes from the perovskite lattice. Periodic polarons in supramolecules (especially NiP-supramolecule) promote the transport of extracted holes across boundaries, reducing nonradiative carrier recombination. The NiP-doped PSCs reveal a certified efficiency of 22.1% for an active area of 1.0 cm2 with the remarkably improved open-circuit voltage and fill factor. The unencapsulated device retained over 80% initial performance under AM 1.5G solar light continuous illumination or heating at 85 °C over 3000 h.
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