陜師大劉生忠教授課題組Joule.:具有穩定效率14.4%分級帶隙設計的無機CsPbI2Br-CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池

深海萬里 5年前 (2018-05-10) 5690瀏覽

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因結構簡單，能量轉換率高，低成本以及溫和條件制備等優點，備受學術界的關注。但其存在一個致命的弱點：光化學穩定性和熱穩定性差。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。但是由于其禁帶寬度大，大大限制了其光電轉換效率。在該研究中，作者設計分級帶隙的無機鈣鈦礦薄膜，調整了薄膜不同位置的帶隙，增大了薄膜厚度，鈍化表面，減小了電荷復合，最終得到的器件VOC 高達1.20 V，JSC 為15.25 mA/cm2，FF 78.7. %，光電轉換效率為14.4%。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，陜西師范大學靳志文博士和劉生忠教授 (共同通訊作者)，碩士生邊慧和白東良（共同一作）在Joule上發表了一篇名為 “Graded Bandgap CsPbI2+xBr1-x?Perovskite Solar Cells with a Stabilized Efficiency of 14.4%” 的文章。在這次研究中，作者設計分級帶隙的無機鈣鈦礦薄膜。研究表明，分級帶隙設計可以有效的調整薄膜不同位置的帶隙，增大了薄膜厚度，增加了吸光效率，鈍化了表面，減小了電荷復合，最終器件光電轉換效率和穩定性都有一定的提高。

【圖文簡介】

圖一：器件結構圖和分級帶隙設計的研究

(a) 器件的結構示意圖;

(b) 器件的能級示意圖;

圖二：Mn離子摻雜CsPbI3 QDs的表征

(a) 摻雜Mn的CsPbI3 QDs的TEM圖;

(b) 摻雜Mn的CsPbI3 QDs的HRTEM圖;

(c)&(d) 摻雜Mn的CsPbI3 QDs的XRD圖;

(e) 摻雜Mn的CsPbI3 QDs的XPS圖譜;

(f) SCN-離子處理CsPbI3 QDs的原理圖;

(g) 不同條件處理CsPbI3 QDs的紅外圖譜;

圖三：CsPbI3 QDs和 CsPbI2Br 電池的性能

CsPbI3 QDs鈣鈦礦太陽能電池:

(a) SEM圖和SEM截面圖;

(b) 改性前與改性后器件的J-V曲線;

(c) 器件的EQE曲線;

CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池:

(d) SEM圖和SEM截面圖;

(e) 器件的J-V曲線;

(f) 器件的EQE曲線;

圖四：CsPbBrI2/CsPbI3 QDs分級能級器件的性能

(a) 不同器件的吸收圖;

(b) 用乙酸乙酯處理不同時間CsPbI3 QDs的吸收圖;

(c) 不同薄膜厚度CsPbI3 QDs的吸收圖;

(d) 表面垂直成分剖面的XPS圖;

(e) 用乙酸乙酯處理的表面垂直成分剖面的XPS圖;

(f) 吸收的結構示意圖;

(g) CsPbBrI2/CsPbI3 QD器件的J-V曲線;

(h) CsPbBrI2/CsPbI3 QD器件的EQE曲線.

圖五：最優器件的性能

(a) CsPbI3 QD厚度隨器件性能的變化;

(b) 器件的穩態測試;

(c)-(f) 不同參數的統計數據。

【小結】

研究表明，作者設計分級帶隙的無機鈣鈦礦薄膜，調整了薄膜不同位置的帶隙，增大了薄膜厚度，鈍化表面，光電轉換效率可達14.4%。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： Graded Bandgap CsPbI2+xBr1-x?Perovskite Solar Cells with a Stabilized Efficiency of 14.4% (Joule.，2018, DOI:?org/10.1016/j.joule.2018.04.012)

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%。同時，在無機鈣鈦礦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; Adv. Energy Mater. 2018, 1800007; ACS Energy Lett.2018, 3, 970-978】。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

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