Advanced?Energy Materials: 原位修飾晶界獲得穩定高效的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

無機鈣鈦礦光伏材料因其優異的熱穩定性成為研究者們新的關注熱點。混合鹵素離子的全無機鈣鈦礦CsPbI₂Br太陽能電池可達到10%以上的光電轉換效率，因而備受關注。然而CsPbI₂Br的合成制備面臨挑戰，在低溫制備條件下通常會結晶為不具備光伏特性的黃色δ相鈣鈦礦；具有光伏特性的α-CsPbI₂Br鈣鈦礦的相轉變溫度通常在250℃以上。高的相轉變溫度極大地限制了該類鈣鈦礦的制備和應用。因此，低溫制備穩定的全無機α-CsPbI₂Br鈣鈦礦十分重要。其次，全無機CsPbI₂Br太陽能電池內部能量損失大(Eloss = Eg - eVoc):有機無機雜化MAPbI₃（禁帶寬度1.6eV）太陽能電池開路電壓可高達1.1V，能量損失僅0.4-0.5eV；CsPbI₂Br（禁帶寬度1.9eV）電池電壓僅為0.9-1.1V，能量損失高達0.8-1V。因此，通過減少缺陷態、匹配各層能級結構等手段降低能量損耗尤為重要。

【成果簡介】

近日，寧波大學張京副教授、諸躍進教授和上海交通大學/日本國立材料研究機構韓禮元研究員合作研究并發現了通過在CsPbI₂Br晶界處原位修飾Pb(Ac)₂的方法可以非常有效的低溫穩定α相結構，并且一個月相結構穩定存在；進一步高溫原位生成PbO后，極大降低了界面電子復合、提高了電池電壓和光電轉換效率。文章發表在（Adv. Energy.?Mater.，DOI: 10.1002/aenm.201801050）。研究表明，添加Pb(Ac)₂在CsPbI₂Br溶液中并涂膜，150度低溫退火，Pb(Ac)₂富集在CsPbI₂Br晶界。第一性原理計算（寧波工程學院尚明輝博士合作研究）表明Pb(Ac)₂有效的降低了CsPbI₂Br立方相晶體形成能，因此低溫下可以生成α-CsPbI₂Br。進一步高溫退火，CsPbI₂Br晶粒長大，Pb(Ac)₂高溫情況下原位在晶界生成PbO。具備較大禁帶寬度的PbO抑制了CsPbI₂Br同空穴傳輸材料間的電子回傳復合，調節了界面能級結構，降低了電池能量損耗，開路電壓提高至1.17V，填充因子達到0.74，光電轉換效率提高到12%（對比電池電壓0.98V，填充因子0.69，效率8.5%）。因而，原位修飾晶界的方法對材料相穩定性以及器件性能有十分積極的作用。

【圖文導讀】

圖一. 未摻雜和5%?Pb(Ac)₂摻雜CsPbI₂Br不同溫度退火的薄膜XRD。

（a）XRD無峰位變化表明Pb(Ac)₂修飾在晶界;

（b）不同濃度Pb(Ac)₂摻雜CsPbI₂Br在350℃退火的XRD（b）;

（c）?0%-350 °C-Pb(Ac)₂，5%-150 °C-Pb(Ac)₂和5%-350 °C-Pb(Ac)₂陳化后的XRD;?

（d）CsPbI₂Br摻雜Pb(Ac)₂在不同制備條件下的相結構和穩定性示意圖；

圖二. 不同Pb(Ac)₂含量和處理溫度的薄膜表面SEM圖。

（a）低溫下形成小納米晶，高溫奧氏熟化形成大晶體;

（b）XPS反映低溫Pb(Ac)₂不變，高溫生成PbO，以及Pb(Ac)₂加入后提高了Cs結合能；

（c）Pb(Ac)₂加入在低溫和高溫處理后富集在晶界且對晶粒尺寸有影響；

（d）第一性原理Pb(Ac)₂修飾晶界的示意圖；

圖三. 電池I-V曲線

（a）5%-350 °C-Pb(Ac)₂電池顯示出最好的光電轉換效率；

（b）電池效率隨時間的變化，5%-150 °C-Pb(Ac)₂電池具備最好的穩定性。

圖四. 不同薄膜在FTO上TRPL衰減顯示

（a）5%-350 °C-Pb(Ac)₂具備最快的電荷抽取速度;

（b）大晶粒5%-350 °C-Pb(Ac)₂晶體缺陷少，電荷傳輸快；小晶粒5%-150 °C-Pb(Ac)₂晶體缺陷多，電荷傳輸慢；

（c）電池的電流衰減也反映5%-350 °C-Pb(Ac)₂具備較好電荷傳輸；

（d）不同薄膜的價帶XPS能譜；

?（e）5%-350 °C-Pb(Ac)₂和5%-150 °C-Pb(Ac)₂的能級結構，PbO修飾晶界能較好匹配界面能級，進一步促進電荷傳輸；

（f）電池EIS圖表明Pb(Ac)₂和PbO修飾晶界抑制電荷復合。

本文由張京供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及內容合作請加微信cailiaokefu。