Science Advances：CsPbI3鈣鈦礦量子點薄膜太陽能電池效率創新高！

【引言】

與常規的薄膜體系相比，量子點薄膜具有獨特的物理化學特性，如可調控的帶隙及帶邊位置、由表面化學修飾實現的表面功能化、由多重激子效應引起的高量子效率等。簡便靈活的制備工藝及優異的物理化學性質使量子點薄膜在光伏器件領域具有極高的研究價值和極大的應用潛力。

在鈣鈦礦量子點薄膜太陽能電池中，CsPbI₃量子點作為構成薄膜的基本單元，具有可控的帶隙寬度（1.75~2.13 eV）和接近理論值的開路電位，是異質結鈣鈦礦太陽能電池中的首選光電極材料。在通常溫度下，CsPbI₃存在立方、正交兩種晶型。其中立方晶型的CsPbI₃在所有全無機鉛鹵鈣鈦礦材料中具有最窄的帶隙寬度（1.73 eV），是最理想的光電極材料。但立方晶型的CsPbI₃在室溫下為亞穩相，具有轉變為正交晶型CsPbI₃的熱力學傾向。正交晶型的CsPbI₃帶隙更寬（2.82 eV），嚴重限制了鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率（PCE）。最近的研究表明，在室溫下采用膠體量子點的形態能穩定CsPbI₃量子點的立方晶型，這一發現使基于CsPbI₃量子點的太陽能電池效率提升至10%以上。盡管該太陽能電池體系已實現高的開路電壓（V_OC已達到Shockley-Queisser極限的85%），其短路電流密度（J_SC）仍受到載流子遷移率的限制，這是突破當前量子點薄膜太陽能電池能量轉換效率的一大瓶頸。

【成果簡介】

近日，美國國家可再生能源實驗室（NREL）的Joseph M. Luther（通訊作者）等采用表面化學的策略，用鈣鈦礦中A位陽離子的鹵化物（記為AX，其中A為甲脒、甲胺、Cs⁺，X為I^-、Br^-）修飾CsPbI₃量子點薄膜，得到由表面覆蓋AX的CsPbI₃量子點構成的薄膜。未經處理的CsPbI₃量子點表面原本覆蓋有大量由液相合成引入的油酸、油胺配體。引入AX并對CsPbI₃量子點進行表面修飾后，油酸、油胺配體的數目大幅減少，這使CsPbI₃量子點之間的距離縮短，波函數的交疊作用增強，即增強的電子耦合作用削弱了對電池性能起主導作用的量子限域效應，從而使量子點薄膜中的載流子遷移率提高，短路電流密度（J_SC）增大，而開路電壓（V_OC）和填充因子（FF）基本不變，這使太陽能電池的能量轉換效率（PCE）顯著提高。研究表明，用碘代甲脒（FAI）對CsPbI₃量子點薄膜進行表面化學修飾能達到最好的電化學性能，其載流子遷移率由未經處理的0.23 cm² V^-1 s^-1增加到經表面修飾后的0.50 cm² V^-1 s^-1，經組裝得到的太陽能電池（記為FAI- CsPbI₃）的開路電壓為1.16 V，短路電流密度為15.25 mA/cm²，填充因子為76.63%，能量轉換效率由未經處理的8.5%提高到經表面修飾后的13.43%，該能量轉換效率超越了以往報導過的所有膠體量子點太陽能電池。該研究成果以“Enhanced mobility CsPbI₃?quantum dot arrays for record-efficiency, high-voltage photovoltaic cells”為題，發表在Science Advances上。

【圖文導讀】

圖1. FAI- CsPbI₃的結構示意圖及電化學性能表征

(a) FAI- CsPbI₃的結構示意圖。

(b) FAI- CsPbI₃的SEM截面圖。

(c) 正向掃描和反向掃描得到的J-V特性曲線。

(d) 電壓為0.95 V時的電流-時間曲線。

(e) 外量子效率（EQE）隨入射光波長的變化。

圖2. 用AX對CsPbI₃量子點薄膜進行表面修飾的過程及效果

(a) CsPbI₃量子點薄膜沉積及用AX修飾該薄膜的過程示意圖。

(b) 分別用碘代甲脒（FAI）、碘代甲胺（MAI）、溴代甲脒（FABr）、溴代甲胺（MABr）、碘化銫（CsI）處理和僅用乙酸乙酯（EtOAc）處理所得的薄膜組裝為太陽能電池的J-V特性曲線。

(c) 未經處理 和 (d) 經FAI修飾后的CsPbI₃量子點薄膜的飛行時間二次離子質譜圖（ToF-SIMS）。

(e) 由ToF-SIMS積分強度得到的Cs/Pb、I/Pb、FA/Pb元素含量比值。

圖3. 光致發光光譜及原子力顯微鏡圖像

(a) 不同晶粒尺寸的CsPbI₃量子點薄膜在FAI修飾前后的光致發光（PL）光譜。

(b) 未經處理 和 (c) 經FAI修飾后的CsPbI₃量子點薄膜的AFM圖像。對比圖(b)和圖(c)可知FAI處理前后CsPbI₃量子點尺寸無明顯變化，故排除了FAI誘導CsPbI₃晶粒生長的可能性。

圖4. 太赫茲時域光譜研究載流子動力學特性

(a) 太赫茲波通過不同量子點薄膜得到的太赫茲時域光譜，泵浦延遲時間約為1 ps。

(b) 不同量子點薄膜的約化瞬態光電導率。

(c,d) 由圖(b)得到的(c) 載流子遷移率 和 (d) 載流子壽命。

表1. 經不同種類AX修飾后的太陽能電池參數對比

【小結】

這項工作采取表面化學的策略，用以碘代甲脒（FAI）為代表的鈣鈦礦A位陽離子鹵化物對CsPbI₃量子點薄膜進行表面修飾。該化學修飾通過調控CsPbI₃量子點之間的電子耦合作用顯著提高了CsPbI₃量子點薄膜的載流子遷移率，從而提高了光生載流子收集效率，使鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率顯著提升。用FAI進行化學修飾得到的CsPbI₃量子點薄膜具有優異的電化學性能，由此組裝的太陽能電池達到了13.43%的能量轉換效率，這一數值超過了目前報導過的所有染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池和銅鋅錫硫/硒太陽能電池，為進一步提高太陽能電池的能量轉換效率提供了普遍適用的思路與方法。

文獻鏈接：Enhanced mobility CsPbI₃?quantum dot arrays for record-efficiency, high-voltage photovoltaic cells (Sci.Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao4204)

本文由材料人新能源前線王釗穎供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，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，點我加入編輯部大家庭。

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。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！