暨南大學麥耀華團隊JACS：基于CsPbI2Br全無機鈣鈦礦太陽電池效率突破13%

引言

目前，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池取得了22.7%的能量轉換效率^1-3，但是穩定性問題仍然阻礙了其進一步的產業化進程。而全無機鈣鈦礦太陽電池中各功能層都擁有較好的熱穩定性，制備高效、穩定的新型全無機鈣鈦礦太陽電池是解決有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池穩定性的重要手段。

成果簡介

近日，暨南大學新能源技術研究院麥耀華教授團隊的論文“All-Inorganic CsPbI₂Br Perovskite Solar Cells with High Efficiency Exceeding 13%”在《美國化學會志》雜志上發表。《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）是材料與化學的權威雜志，影響因子為13.858。暨南大學新能源技術研究院范建東教授和麥耀華教授為文章共同通訊作者，博士生劉沖與副研究員李聞哲為共同第一作者。

該研究得到廣東省高水平大學建設經費的資助，同時也得到國家自然科學基金委面上項目(51672111)、暨南大學科研培育與創新基金青年基金項目(21617341)的支持。

暨南大學新能源技術研究院是以國家“千人計劃”特聘專家麥耀華教授為學術帶頭人，為打造高水平新能源技術創新研發平臺而成立的研究團隊。新能源技術研究院以技術創新和人才培養為工作重心，通過面向產業化的前沿技術研發、科研成果轉化和創新型人才培養，推動學科建設和新能源產業的發展。目前，研究院有專職科研人員12名，擁有包括PECVD、濺射和SEM、XRD等大型材料與器件的制備與表征設備50余臺（套），主要開展高效率晶體硅太陽電池、化合物薄膜太陽電池、鈣鈦礦太陽電池、鋰電池和光伏系統等方向的研究。

本文亮點

該研究工作采用兩步控溫的方法，制備了高致密、全覆蓋的CsPbI₂Br無機鈣鈦礦薄膜，并將ZnO@C₆₀雙電子傳輸層結構引用于器件中，該結構比單層ZnO或C₆₀具有更強的電子提取能力，以及更低的界面缺陷態密度。最終，基于FTO/NiO_x/CsPbI₂Br/ZnO@C₆₀/Ag結構的全無機鈣鈦礦太陽電池經優化后取得了超過13%的能量轉換效率，1000s內持續12%的光穩定輸出效率，并且在85℃下加熱360h，其效率僅損失20%。該研究工作為進一步解決鈣鈦礦太陽電池穩定性問題提出了新的思路和方案。

圖文導讀

圖1. CsPbI₂Br無機鈣鈦礦薄膜調控

通過精準的控制薄膜退火過程，監控薄膜在兩步控溫過程中的生長動力學過程，制備出高致密、全覆蓋的鈣鈦礦薄膜。

(a)薄膜生長中XRD的演變過程

(b)兩步升溫方法制備CsPbI₂Br示意圖

(c)所制備CsPbI₂Br無機鈣鈦礦薄膜的表面形貌

圖2. ZnO@C₆₀雙電子傳輸層表征

ZnO@C₆₀雙電子傳輸層相較于單層ZnO或C₆₀具有更強的電子提取能力，以及更低的界面缺陷態密度。

(a)基于ZnO@C₆₀雙電子傳輸層器件的截面SEM圖

(b)選區的EDS線掃描

(c)三種電子傳輸層的電子萃取能帶圖

(d)三種電子傳輸層電子萃取能力的TRPL圖

圖3.全無機鈣鈦礦太陽電池器件的器件性能

基于ZnO@C₆₀雙電子傳輸層的鈣鈦礦太陽電池器件相較于ZnO或C₆₀單電子傳輸層的鈣鈦礦太陽電池器件，其能量轉換效率得到了顯著的提升，最高達到13.3%，并且1000s光穩定輸出效率達到12%，在85℃下加熱360h，其效率僅損失20%。

(a)基于不同電子傳輸層的電池器件的效率統計

(b)基于ZnO@C₆₀雙電子傳輸層的太陽電池的最佳器件效率

(c)最佳效率器件對應的外量子效率測試

(d)全無機鈣鈦礦太陽電池器件與有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池器件在85℃持續加熱下的穩定化效率測試

展望

該研究工作制備了高質量的CsPbI₂Br無機鈣鈦礦薄膜，并在此基礎上提出了ZnO@C₆₀雙電子傳輸層，有效的增強了電子的萃取能力，并且降低了界面的缺陷態密度，提升了全無機鈣鈦礦太陽電池器件的效率。此外，該工作提出的全無機鈣鈦礦太陽電池相較于傳統的有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池表現出更優的熱穩定性。該研究工作為進一步解決鈣鈦礦太陽電池的穩定性問題提出了新的思路和方法。

參考文獻

[1] Kojima A, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T, J. Am. Chem. Soc, 2009, 131, 6050

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[3] https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png.

文章鏈接：All-Inorganic CsPbI₂Br Perovskite Solar Cells with High Efficiency Exceeding 13%（J.Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.7b13229）

本文由暨南大學麥耀華團隊提供，特此感謝！

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