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陜師大劉生忠教授等人Adv. Funct. Mater.:給

添加人:材料人 發布時間:2020-3-17 9:05:50 來源:微信公眾號

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的效率已經達到了25.2%。然而,雜化鈣鈦礦中的有機組分(甲氨和甲瞇)在熱力學上是不穩定的,光照、加熱和高濕條件都會誘導有機組分緩慢揮發或分解,從而導致雜化鈣鈦礦吸光層降解失效。相比之下,基于無機陽離子(Cs+)的全無機鈣鈦礦(CsPbX3)能夠避免有機組分的揮發,進而有望從根本上解決雜化鈣鈦礦的組分穩定性問題。在全無機鈣鈦礦家族中,CsPbI2Br具有合適的帶隙和結構穩定性,因此近年來引起了研究者的廣泛關注。2019年CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的效率已經達到了16.58%,但其開路電壓較低1.23 V,能量損失高達0.69 eV,效率遠遠落后于雜化鈣鈦礦太陽電池和無機CsPbI3鈣鈦礦太陽電池。因此,通過減少能量損失來提高CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓和效率很有必要。
【成果簡介】
近日,陜西師范大學的劉生忠教授和劉治科教授(共同通訊作者)等人報道了通過給無機鈣鈦礦補“鈣”來制備高效穩定的CsPbI2Br鈣鈦礦電池。作者通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入少量 (0.5%) CaCl2達到同時提高CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓、填充因子和效率的目的。CaCl2能夠有效降低CsPbI2Br薄膜的結晶速率,降低薄膜的缺陷密度,增加薄膜的載流子壽命,并有效提升薄膜的費米能級,增大器件的內建電場,從而提高了CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓。摻雜0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的效率達到16.79%,開路電壓為1.32 V,填充因子是83.29%。另外,未封裝的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池在空氣中放置1080 h后,效率仍能保持其初始效率的90%,穩定性能優異。
【圖文導讀】
a) 35℃加熱不同時間、摻雜 0-1% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜照片
b) 不同CaCl2濃度摻雜CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的XRD圖和放大的 (200)峰 
c) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的UV–vis吸收光譜和Tauc plot 圖
d-e) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的穩態PL譜圖和PL強度衰減曲線
a-b) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的頂視SEM圖 
c-d) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖 
e-f) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的AFM圖
a) 不同CaCl2濃度摻雜CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的J-V曲線 
b) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的EQE圖
c) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的電流密度和效率的穩定輸出曲線
d) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的能級圖
e) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的Mott-Schottky圖
f) 摻雜0%和0.5% CaCl2的CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的Nyquist圖
a) Cs 3d
b) Pb 4f
c) I 3d
d) Br 3d 
e) Ca 2p
f) Cl 2
【小結】
研究團隊系統地研究了CaCl2對CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜質量和CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池性能的影響規律。CaCl2中的Ca2+能延緩CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的結晶速率并顯著提高其結晶度,從而降低薄膜的缺陷態密度,延長其載流子壽命。此外,CaCl2還能提高CsPbI2Br鈣鈦礦薄膜的費米能級,增大器件的內建電場,從而提升CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓。最終,CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池的效率達到16.79%

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