陜師大劉生忠教授課題組ACS Energy Lett.: 通過間隙摻雜Mn離子得到破紀錄的13.47%效率的無機鈣鈦礦太陽能電池

【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。不過通常制備的無機鈣鈦礦晶粒較小，晶界較多，載流子傳導時在晶界處易復合，這限制了其光電轉換效率。在該研究中，作者采用Mn離子摻雜無機鈣鈦礦薄膜，增大了晶粒，鈍化了表面，減小了電荷復合，最終得到的器件V_OC 高達1.17 V，J_SC 為14.37 mA/cm²，FF 80.0%，光電轉換效率為13.47%。這是目前已知的無機鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學陜西師范大學靳志文博士，王倩博士和劉生忠教授 (共同通訊作者)，碩士生白東良和張靜茹（共同一作）在 ACS Energy Letters上發表了一篇名為 “Interstitial Mn₂+-Driven High-Aspect-Ratio Grain Growth for Low-Trap-Density Microcrystalline Film for Record Efficiency CsPbI₂Br Solar Cells” 的文章。在這次研究中，研究者使用了Mn離子摻雜無機鈣鈦礦薄膜。研究發現，Mn離子摻雜增大了晶粒，鈍化了表面，減小了電荷復合。同時，大晶粒的鈣鈦礦薄膜疏水性增大，不易發生相變，器件穩定性有一定的提高。

【圖文簡介】

圖一：器件結構圖和Mn摻雜方式的研究

(a) 器件的結構示意圖和Mn離子摻雜模型：間隙摻雜和取代摻雜;
(b) 完整器件SEM截面圖;
(c) 摻雜不同濃度的MnCl₂的CsPbBrI₂薄膜的XRD譜圖;
(d) XRD譜圖的局部放大圖。

圖二：鈣鈦礦薄膜晶粒大小變化

摻雜不同濃度MnCl₂的CsPbBrI₂薄膜的SEM平面圖、放大的SEM平面圖、接觸角和平面分布直方圖:

(a)-(c) 不含MnCl₂;
(d)-(f) 0.5% MnCl₂;
(g)-(i) 1% MnCl₂;
(j)-(l) 2%MnCl₂。

圖三：Mn離子摻雜方式的測試

(a) 摻雜和未摻雜MnCl₂的CsPbBrI₂薄膜中的各元素XPS范圍的變化;
(b) MnCl₂摻雜的CsPbBrI₂薄膜的垂直表面成分分析(通過蝕刻和XPS表征得出);
(c) 2%MnCl₂摻雜的CsPbBrI₂薄膜的EDS面掃分析。

圖四：MnCl₂摻雜后結晶過程示意圖和CsPbBrI₂薄膜的光學和電學測試

(a) MnCl₂摻雜的結晶、晶粒長大和表面鈍化原理圖;
(b) 不同濃度MnCl₂摻雜的光吸收范圍;
(c) 不同濃度MnCl₂摻雜的熒光范圍;
(d) 不同濃度MnCl₂摻雜的熒光壽命;
(e) 不同濃度MnCl₂摻雜的暗態I-V譜圖;
(f) 不同濃度MnCl₂摻雜的阻抗譜圖;
(g) 不同濃度MnCl₂摻雜的莫特-肖特基擬合的C-V曲線。

圖五：不同濃度MnCl₂摻雜的器件性能對比

(a) 器件的J-V曲線;
(b) 對比器件的EQE曲線;
(c) 對比器件的PCE統計分布;
(d) 最優器件的正反掃;
(e) 器件I-t曲線和PCE-t曲線;
(f) 器件的穩定性測試。

表一：不同濃度MnCl₂摻雜的CsPbBrI₂器件的參數

【小結】

研究表明，Mn離子的摻雜可以有效提高器件的性能。Mn離子的摻雜能夠有效地使晶粒長大，鈍化表面，最終使無機CsPbBrI₂太陽能電池效率提高到13.47%，這是目前已知的無機鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。

文獻鏈接：Interstitial Mn²⁺-Driven High-Aspect-Ratio Grain Growth for Low-Trap-Density Microcrystalline Film for Record Efficiency CsPbI₂Br Solar Cells (ACS Energy Lett. 2018, DOI:?10.1021/acsenergylett.8b00270)

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; ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018, 10, 7145-7154.】。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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