布朗大學Joule: 基于鈦的穩定無鉛鈣鈦礦電池

【引言】

鈣鈦礦型太陽能電池在最近幾年吸引了各方關注，其光電轉換效率在短短幾年內快速上升。但是在眾多高效率鈣鈦礦型太陽能電池中，穩定性和鉛的毒性一直是阻礙鈣鈦礦市場化商業化應用的兩個障礙。目前的一些代替鉛基的材料諸如錫基因為其自身穩定性的問題難以得到持續的發展，而其他一些替代材料諸如Cs₂AgBiBr₆和Cs₃Bi₂I₉由于較大的帶隙（大于2.0eV）其光電轉換效率無法得到保證，所以對于新型穩定的無鉛材料的研究迫在眉睫。

【成果簡介】

北京時間2018年1月，美國布朗大學的Yuanyuan Zhou教授和Nitin Padture教授（共同通訊作者）在Cell Press旗下的能源領域新旗艦期刊Joule在線發表了“Cesium Titanium(IV) Bromide Thin Films Based Stable Lead-free Perovskite Solar Cells”研究論文，該工作使用四價態鈦作為金屬陽離子取代二價態鉛，該Cs₂TiBr₆型雙鈣鈦礦型結構的材料展示了良好的光電性質。在進一步的平面器件表征中，鈦基鈣鈦礦型太陽能電池展現了超過3%的光電轉換效率。布朗大學博士生Min Chen為文章第一作者。

圖文導讀：

作者首先使用兩步蒸鍍的方法制備得到質量較高的鈦基鈣鈦礦新材料薄膜，X射線衍射和紫外可見光吸收光譜證明該薄膜相純以及對光吸收較好。在制備機理中，作者闡明了兩步蒸鍍中的擴散機制，為之后的薄膜改善提供基礎思路。

在隨后的光譜表征中，該薄膜顯示了良好的熒光特性，同時利用瞬態熒光光譜測得的薄膜熒光壽命結合計算得出在該材料中電子和空穴的擴散距離高于100納米，該結果顯示鈦基薄膜可以用來、建立平面太陽能電池。同時基于紫外光電子能譜測得薄膜的導價帶，作者提出了TiO2和P3HT作為電子和空穴傳輸層。

在平面器件表征中，該鈦基平面太陽能電池顯示了2.15%的光電轉換效率。通過添加C60作為過渡層，作者提高該太陽能電池光電效率致3.22%。

在穩定性的研究中，該鈦基材料在熱穩定性，光穩定性和濕度穩定性都超過了常用的相同帶隙的鉛基鈣鈦礦型材料（MaPbI₂Br）。同時未封裝的電池效率在14天的穩定性條件（70攝氏度，30%濕度）下依舊顯示了超過3%的光電轉換效率。

【結論】

作者闡釋了高純相雙鈣鈦礦型Cs₂TiBr₆薄膜的兩步蒸鍍的機理，該薄膜顯示了1.82eV的光學帶隙和較強的熒光強度。其光生電子和空穴的傳輸擴散距離為121nm和103nm，為之后的平面太陽能電池器件建設提供了可能。該鈦基太陽能電池的轉換效率最高可達3.3%，在兩周的循環穩定性條件下依舊保持超過3%的效率，顯示了良好的穩定性。該類型的鈦基材料為之后的無鉛材料的選擇提供了有力的理論實驗支持。同時值得注意的是通過對于鹵族元素的替換，帶隙調整后的鈦基鈣鈦礦型電池效率可增長的空間還有很多。關于鹵族元素的替換，美國內布拉斯加大學林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授和美國布朗大學的Yuanyuan Zhou教授和Nitin Padture教授（共同通訊作者）在ACS Energy Letters上在線發表了“Earth-Abundant Nontoxic Titanium(IV)-based Vacancy-Ordered Double Perovskite Halides with Tunable 1.0 to 1.8 eV Bandgaps for Photovoltaic Applications”的研究論文，并且被選為ACS Editors' Choice。

原文鏈接：Cesium Titanium(IV) Bromide Thin Films Based Stable Lead-free Perovskite Solar Cells?（Joule，2018，DOI:?https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.01.009 ）

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