陜師大劉生忠教授課題組Appl. Mater. Interfaces. :低溫普通環境制備穩定高效的無機CsPbBr3/CsPb2Br5鈣鈦礦太陽能電池

背逆時光 6年前 (2018-02-05) 8849瀏覽

【引言】

無機Cs-Pb-Br鈣鈦礦材料在水、光以及熱的老化作用下顯示了出色的穩定性，因此其在疊層電池及器件商業化進程中展示了巨大的潛力。不幸的是，在低溫空氣中制備高性能的Cs-Pb-Br基鈣鈦礦太陽能電池充滿了挑戰。在該研究中，作者通過一個簡單的SCN-乙酸乙酯溶液處理在室溫制備得到的CsPbBr3 量子點薄膜，得到了大晶粒尺寸、小界面缺陷的CsPbBr3-CsPb2Br5復合薄膜。 最終得到的無機鈣鈦礦太陽能電池能量轉換效率高達6.81%并且展示了非常優異的穩定性。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學靳志文博士和劉生忠教授(共同通訊作者)在ACS Appl. Mater. Interfaces. 上發表了一篇名為 “All-Ambient Processed Binary CsPbBr3/CsPb2Br5 Perovskites with Synergistic Enhancement for High Efficiency Cs-Pb-Br Based Solar Cells” 的文章。在這次研究中，研究者利用CsPbBr3 量子點薄膜在SCN-乙酸乙酯溶液環境中存在一個溶解-重結晶的過程制備了致密均勻的CsPbBr3-CsPb2Br5復合薄膜。研究發現，SCN-吸附于Pb2+表面導致Cs+與Br-從量子點表面剝離；同時，乙酸乙酯溶液增強了離子之間的動態擴散與平衡過程。有趣的是，作者進一步發現少量的CsPb2Br5能夠有效的鈍化薄膜的表面缺陷，提高器件光生載流子的壽命。最終，在室溫空氣環境中制備得到了穩定高效的無機鈣鈦礦太陽能電池。

【圖文簡介】

圖1：器件結構圖與能帶圖

(a).無機鈣鈦礦太陽能電池結構圖；

(b).無機鈣鈦礦太陽能電池能帶圖；

(c). CsPbBr3-CsPb2Br5 復合薄膜制備過程及轉變機理圖。

圖2: SCN-乙酸乙酯溶液不同時間處理的鈣鈦礦薄膜形貌表征圖

(a)-(e): AFM圖；

(f)-(j): SEM圖；

(f)-(j): 器件截面SEM圖；

圖3：SCN-乙酸乙酯溶液不同時間處理的鈣鈦礦薄膜的性能表征圖

(a). XPS圖譜；

(b). 不同鈣鈦礦薄膜的Cs, Pb, Br 和 C元素比例；

(c). 不同鈣鈦礦薄膜的Cs/Pb和 Br/Pb比例；

(d)-(g). 不同鈣鈦礦薄膜的的XRD測試

圖4：不同鈣鈦礦薄膜的器件性能表征圖

(a). J-V曲線；

(b). EQE曲線；

(c). 吸收曲線；

(d). PL曲線；

(e). TRPL曲線；

(f). 缺陷態測試；

圖5:優化后的器件性能

(a). J-V曲線；

(b). EQE曲線；

(c). PCE統計分布。

(d). 器件的穩態測試；

(e). 穩定性測試；

(f). 發表文章器件性能的對比圖；

【小結】

研究表明，通過SCN-乙酸乙酯溶液處理，CsPbBr3 量子點溶液可以在常溫空氣中制備致密、均勻、缺陷少的CsPbBr3-CsPb2Br5 復合薄膜，使太陽能電池效率提高到6.81%。

文獻鏈接：All-Ambient Processed Binary CsPbBr3/CsPb2Br5 Perovskites with Synergistic Enhancement for High Efficiency Cs-Pb-Br Based Solar Cells (ACS Appl. Mater. Interfaces., 2018)

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【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837】。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 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。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%。近期，在無機鈣鈦礦量子點及太陽能電池方向也取得了一些進展 【ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479-1486; Adv. Energy Mater. 2018, 1703246.】。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

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