陜師大劉生忠教授課題組Adv. Energy Mater. : 穩定高效的無機CsPbBrI2鈣鈦礦電池

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦電池因其理想的禁帶寬度，優異的載流子傳輸性能等一直備受關注。但由于有機離子的易揮發易分解等問題一直制約著其進一步發展。相比之下，無機鈣鈦礦材料因其優異的穩定性成為研究者們新的關注熱點。不過無機鈣鈦礦材料往往帶隙都較大，吸光范圍窄，這在本質上限制了其光電轉換效率。同時，在傳統的鈣鈦礦電池結構中，由于電子傳輸層氧化鈦的重摻雜效應致使器件中的PN結靠近于鈣鈦礦與電子傳輸層界面，會使得空穴在傳輸過程中復合嚴重。在該研究中，作者采用一種3D-2D-0D的尺寸漸變異質結對鈣鈦礦和空穴傳輸層之間進行修飾，極大的提升了空穴遷移率，最終得到的器件V_OC 高達1.19 V，J_SC 為12.93 mA/cm²，FF 80.5%，光電轉換效率為12.39%。這是目前已知的基于CsPbBrI₂鈣鈦礦電池的最高效率。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學陜西師范大學劉生忠教授和靳志文博士(共同通訊作者)，碩士生張靜茹和白東良（共同一作）在Adv. Energy. Mater. 上發表了一篇名為 “3D-2D-0D Interface Profiling for Record Efficiency All-Inorganic CsPbBrI₂ Perovskite Solar Cells with superior Stability” 的文章。在這次研究中，研究者使用了漸變維度尺寸異質結來進行調控界面調控。研究發現，這種尺寸漸變修飾層能夠有效的調配器件功函，增大內建電場，提升空穴傳輸速率。同時，低維度材料修飾的鈣鈦礦薄膜疏水性明顯增大，器件穩定性有一定的提高。

【圖文簡介】

圖1：器件結構圖與能帶圖

(a).漸變尺寸材料修飾的鈣鈦礦太陽能電池結構圖；

(b).鈣鈦礦太陽能電池能帶圖；

(c).光照下能帶彎曲機理圖。

圖2:?摻雜不同維度材料修飾的鈣鈦礦薄膜形貌表征圖

(a)&(c): CsPbBrI₂ 2D和0D材料TEM圖；

(b)&(d): CsPbBrI₂ 2D和0D材料晶格衍射花紋；

(e-h): CsPbBrI₂ 薄膜；CsPbBrI₂ / CsPbBrI₂ 2D薄膜；CsPbBrI₂ / CsPbBrI₂ 0D薄膜；CsPbBrI₂ / CsPbBrI₂ 2D/ CsPbBrI₂ 0D薄膜。

圖3：不同維度的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

(a). 3D, 2D, 和 0D CsPbBrI2薄膜的吸收和PL圖譜；

(b).不同維度CsPbBrI₂復合薄膜的吸收圖譜；

(c). 不同維度CsPbBrI₂復合薄膜的PL圖譜；

(d). 不同維度CsPbBrI₂復合薄膜的時間分辨熒光圖譜（載流子壽命）；

(e). 不同維度CsPbBrI₂復合薄膜的載流子壽命mapping；

圖4：不同維度的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

(a). 不同維度CsPbBrI₂的鈣鈦礦薄膜的XPS譜；

(b). 不同維度CsPbBrI₂的鈣鈦礦薄膜的VB-XPS譜；

(c). 不同維度CsPbBrI₂的鈣鈦礦薄膜的VB-UPS譜；

(d). 不同維度CsPbBrI₂的鈣鈦礦薄膜的UPS譜；

(e). 不同維度CsPbBrI₂的鈣鈦礦薄膜的E_cut-UPS譜；

圖5:?經不同維度材料優化化后的器件性能對比

(a).對比器件的J-V曲線；

(b).對比器件的EQE曲線；

(c).莫特-肖特基擬合的C-V曲線；

(d)對比器件的PCE統計分布。

圖6：經漸變尺寸異質結修飾的器件正反掃對比與穩定性測試

(a).3D-2D-0D尺寸漸變異質結器件正反掃J-V曲線；

(b). 3D-2D-0D尺寸漸變異質結器件I-t曲線和PCE-t曲線；

(c). 3D-2D-0D尺寸漸變異質結器件穩定性測試；

(d).無機鈣鈦礦電池器件PCE分布圖。

【小結】

研究表明，經3D-2D-0D尺寸漸變異質結修飾可以有效提高器件的性能。漸變維度材料能夠有效增大體系內建電場，提升空穴傳輸速率，使太陽能電池效率提高到12.39%。

文獻鏈接：3D-2D-0D Interface Profiling for Record Efficiency All-Inorganic CsPbBrI2 Perovskite Solar Cells with Superior Stability (Adv. Energy. Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703246)

團隊介紹：

劉生忠教授領導的團隊是國內外較早從事鈣鈦礦太陽電池研究的團隊之一。團隊研發了鈣鈦礦單晶生長新方法，成功制備了超大尺寸鈣鈦礦單晶，各方面指標均領先領域先進水平【Y. Liu, Z. Yang, D. Cui, X. Ren, J. Sun, X. Liu, J. Zhang, Q. Wei, H. Fan, F. Yu, X. Zhang, C. Zhao, S. F. Liu, Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183；Y. Liu, X. Ren, J. Zhang, Z. Yang, D. Yang, F. Yu, J. Sun, C. Zhao, Z. Yao, B. Wang, Q. Wei, F. Xiao, H. Fan, H. Deng, L. Deng, S.(Frank) Liu, SCIENCE CHINA Chemistry 2017, 10.1007/s11426-017-9081-3.】。在平面型鈣鈦礦電池和柔性鈣鈦礦電池方面，均先后幾次報道了領域最高效率【D. Yang, R. Yang, X. Ren, X. Zhu, Z. Yang, C. Li, S. F. Liu, Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; D. Yang, R. Yang, J. Zhang, Z. Yang, S. Liu, C. Li, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214.】。特別是采用獨特的界面修飾方法和雙源共蒸法，平面異質結電池效率超過了20%；發展了優質的TiO2和Nb₂O₅電子傳輸層的低溫沉積工藝，制備的柔性鈣鈦礦電池效率達到18.32%。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

以上資料來自陜西師范大學劉生忠教授課題組，特此感謝！

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