北京大學Nano Energy：含低維鈣鈦礦中間層的高效無鉛FASnI3鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

如今，由于化石燃料的使用造成的環境問題日益加劇，可持續能源引起了人們的廣泛的關注，太陽能因其清潔環保成為研究的熱點，太陽能電池是對太陽能直接利用的方式之一。近年來，有機無機雜化鈣鈦礦電池因為快速增長的轉換效率，優異的器件性能和獨特的光電性質吸引了研究人員的廣泛研究，最新的太陽能電池認證效率達到22.7%，已經可以和傳統的硅基電池媲美。然而，鉛的毒性是限制其商業應用的致命弱點。因此，尋找高效無鉛鈣鈦礦太陽能電池是亟待解決的問題。

【成果簡介】

近日，Nano Energy在線發表了北京大學物理學院人工微結構和介觀物理國家重點實驗室朱瑞研究員（通訊作者）團隊的題為“Low-dimensional perovskite interlayer for highly efficient lead-free formamidinium tin iodide perovskite solar cells”的文章。北京大學物理學院博士研究生陳科和伍攀為該論文的共同第一作者。在這項研究工作中，研究者創新性地在無鉛鈣鈦礦吸光層和空穴傳輸層中間引入低維鈣鈦礦中間層，有效地改善了界面處鈣鈦礦薄膜的形貌并且減少了缺陷態，抑制了器件中載流子的積累和復合，最終得到效率高達7.05%的無鉛FASnI₃鈣鈦礦太陽能電池。

【圖文導讀】

圖1：低維鈣鈦礦中間層簡介

a: 引入低維鈣鈦礦（LDP）中間層的流程示意圖

b: 通過XRD輔助確認形成了低維鈣鈦礦，沒有 PEABr的衍射強度被放大了40倍（插圖：衍射角2θ為5.8°附近的放大圖，添加PEABr之后明顯多了一個衍射峰）

c: 低維鈣鈦礦在界面處的示意圖

圖2：鈣鈦礦形貌的SEM表征，通過改變溶液濃度控制薄膜的厚度

a：無LDP，濃度為0.15M；b：無LDP，濃度為0.30M；c：無LDP，濃度為0.60M

d：有LDP，濃度為0.15M；e：有LDP，濃度為0.30M；f：有LDP，濃度為0.60M

標尺：2μm

圖3：無鉛FASnI₃鈣鈦礦太陽能電池的器件結構和光伏性能

a：器件結構示意圖

b：電流密度-電壓曲線對比，橙色：有LDP；青色：無LDP

c：有LDP器件在最大功率點附近的穩態輸出

d：器件的光電流正反掃曲線。橙色：有LDP，青色：無LDP；空心三角：正向；實心三角：逆向

圖4：LDP對界面附近缺陷態的鈍化效應的熒光（PL）表征

a：PEDOT:PSS/FASnI₃樣品的穩態熒光光譜

b：PEDOT:PSS/FASnI₃樣品的時間分辨熒光光譜

橙色：有LDP；青色：無LDP，激發條件：波長為450nm的激光從ITO一側激發樣品

圖5： LDP鈍化導致的減少缺陷態密度和抑制載流子復合的示意圖

a：LDP鈍化誘導的缺陷態減少的示意圖

b：直接測量缺陷態密度的單空穴器件的J-V曲線，橙色：有LDP；青色：無LDP

c：開路電壓與光強的關系曲線，橙色：有LDP；青色：無LDP

d：短路電流密度與光強的關系曲線，橙色：有LDP，青色：無LDP

【小結】

這個研究工作中，界面低維鈣鈦礦結構的引入，有效地改善了薄膜形貌并且減少了缺陷態，此類缺陷鈍化有效地抑制了器件中載流子的積累和復合，最終得到具有穩定輸出功率、效率高達7.05%的無鉛FASnI₃鈣鈦礦太陽能電池。該項工作有效地通過界面缺陷鈍化和低維鈣鈦礦的結合提高了無鉛鈣鈦礦太陽能電池的效率，為研發高效太陽能電池提供了新的思路。

【文獻鏈接】：Low-dimensional perovskite interlayer for highly efficient lead-free formamidinium tin iodide perovskite solar cells (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.006)

?【通訊作者簡介】

朱瑞，北京大學物理學院現代光學研究所，研究員，博士生導師，入選中組部“青年千人”計劃（第五批），獲國家基金委“優青”資助（2017年）。1999-2003年，本科畢業于南京大學；2003-2007年，博士畢業于復旦大學先進材料研究院（物理化學專業），期間作為訪問學生赴華南理工大學材料學院、中國科學院長春應用化學研究所等單位開展交流學習；2007-2009年，于新加坡國立大學從事博士后研究；2009-2012年，于美國加州大學洛杉磯分校從事博士后研究；自2013年起，加入北京大學物理學院現代光學研究所，從事新型太陽能電池和透明導電電極技術等方向的研究。近年來，在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nature Photonics、Nature Communications、Nano Letters、ACS Nano、Energy & Environmental Science等國際重要學術刊物上發表學術論文60余篇，總引次數超過5000次，H因子29。

課題組主頁

http://www.phy.pku.edu.cn/~zhurui/index.htm

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