上海交大趙一新團隊Science Advances: 雙陽離子二維組分穩定a-CsPbI3鈣鈦礦相制備高效鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

在過去的幾年里，對于有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了巨大的成就，大量研究都取得了20%左右的電池效率，制備方法也朝著低成本大面積不斷發展，距離商業化日益接近。基于混合有機陽離子的電池效率甚至突破22.1%，但是有機-無機雜化鈣鈦礦的穩定性仍然存在問題，即使目前也出現了一些提高穩定性的方法。而全無機的鈣鈦礦能夠很好的避免因鈣鈦礦成分的分解而降低電池的穩定性。在全無機的鈣鈦礦家族里，最常見的是CsPbX₃（X=Cl，Br，I），其中全無機的銫鉛碘無機鈣鈦礦材料較高的熱穩定和匹配的帶隙使其成為疊層電池的理想選擇，但銫鉛碘鈣鈦礦在常溫下通常結晶為光電性能較差的非鈣鈦礦相，其鈣鈦礦相的轉換溫度往往在350°C以上，同時該晶相在常溫下的相穩定性較差，在室溫下會轉換成非鈣鈦礦相，從而導致其光電性能的急劇惡化。上述缺陷極大限制了其應用，成為該領域的重要難題。因此探尋一種穩定a-CsPbI₃鈣鈦礦相的方法就尤為重要。

【成果簡介】

近日，來自上海交通大學的趙一新特別研究員（通訊作者）團隊在Science Advances報道了首先采用碘化鉛與氫碘酸的配體PbI₂.xHI來代替傳統的PbI₂使得其鈣鈦礦相轉換溫度降低到100°C，極大降低了操作溫度窗口。同時，通過創造性的引入乙二胺鉛碘這一基于雙胺陽離子二維鈣鈦礦組分構筑二維-三維混合鈣鈦礦，從而調整全無機銫鉛碘鈣鈦礦的晶粒大小，穩定其鈣鈦礦晶相，并實現了良好的電子傳輸，最終成功獲得11.8%轉化效率的高效率全無機鈣鈦礦太陽能電池。這是目前溶液法制備銫鉛碘鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。特別是該方法制備的鈣鈦礦薄膜的相穩定性得到極大提升，在室溫下鈣鈦礦相可以穩定數月，并且在100°C下也可以穩定保持該鈣鈦礦相。相比之下，常規方法制備的銫鉛碘鈣鈦礦相在100°C下僅能穩定數分鐘。進一步的機理研究表面，雙胺類二維鈣鈦礦的結晶取向是影響其穩定性的重要因素，該工作也是基于二胺類二維鈣鈦礦晶體生長曲線對構筑的復合維度鈣鈦礦的穩定性影響的首次報道。基于此種方法制備的a-CsPbI₃的電池效率具有11.8%的高度重復性。因此，采用雙陽離子EDA穩定a-CsPbI₃相為設計和制備高效可靠的全無機鈣鈦礦太陽能電池提供了一條重要的策略。

【圖文導讀】

圖1、CsPbI₃薄膜的光譜、結構表征以及電池性能、穩定性測試

通過PbI₂ + CsI 和 PbI₂·xHI + CsI制備的CsPbI₃薄膜（A）紫外可見吸收光譜（B）XRD圖譜；

（C）基于a-CsPbI₃鈣鈦礦太陽能電池的I-V曲線

（D）通過PbI₂·xHI + CsI制備的CsPbI₃薄膜退火前后的XRD和薄膜顏色變化

圖2、EDAPbI₄ 和CsPbI₃·xEDAPbI₄ 薄膜的結構表征和光譜研究

EDAPbI₄薄膜：

（A）XRD圖譜（B）紫外可見吸收光譜；

CsPbI₃·xEDAPbI₄(x =0 to 0.05)鈣鈦礦：

（c）XRD圖譜（d）紫外可見吸收光譜

圖3、CsPbI₃·xEDAPbI₄形貌隨EDAPbI₄量的變化

由CsPbI₃·xEDAPbI₄前驅體(x = 0, 0.0125, 0.025, 和 0.05)獲得的鈣鈦礦薄膜的

（A）AFM圖

（B）SEM圖

圖4、CsPbI₃·xEDAPbI₄的器件表征

（A）CsPbI₃·xEDAPbI₄鈣鈦礦太陽能電池的I-V特征曲線

（B）CsPbI₃·0.025EDAPbI₄鈣鈦礦太陽能電池的穩定輸出

（C）基于CsPbI₃·0.025EDAPbI₄鈣鈦礦的IPCE

（D）32個CsPbI₃·0.025EDAPbI₄鈣鈦礦太陽能電池的效率分布。

圖5、基于CsPbI₃·0.025EDAPbI₄器件和薄膜的穩定性測試

（A）最佳CsPbI₃·0.025EDAPbI₄電池效率隨時間變化

（B）CsPbI₃·0.025EDAPbI₄薄膜在干空氣中100^oC下保持一周的XRD和顏色變化

【小結】

本項工作提出了采用EDAPbI₄二維鈣鈦礦組分穩定a-CsPbI₃，通過簡單的一步法獲得了高效的全無機鈣鈦礦太陽能電池。對全無機鈣鈦礦太陽能電池的研究具有重要的借鑒意義。

原文鏈接：Bication lead iodide 2D perovskite component to stabilize inorganic a-CsPbI₃ perovskite phase for high-efficiency solar cells （Sci. Adv. 2017，e1700841）

【團隊介紹】

趙一新，上海交通大學特別研究員，中組部“青年千人”。分別于2002年和2005年于上海交通大學獲得學士碩士學位，2010年畢業于美國凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）獲得化學博士學位。隨后分別在美國賓州大學和美國國家可再生能源實驗室從事博士后研究。研究興趣主要是綠色能源和環境功能材料，其中在鈣鈦礦太陽能電池領域做出大量基礎性的研究。在Chem. Rev.,Chem. Soc. Rev., PNAS, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊發表80余篇論文。被正面引用3700多次,H-index 33,2016年有15篇論文入選ESI高被引/熱點論文（1%），擔任Nature系列期刊和JACS等期刊的審稿人

張太陽，于2014年加入趙一新老師課題組攻讀博士學位，主要從事有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池研究。博士期間在Science Advances，Nature Communication, Advance Functional Material 等期刊發表十余篇論文。

本文由材料人電子電工學術組lyh_wv供稿，材料牛整理編輯。

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