Adv. Energy Mater.: CsPb1-xSnxIBr2 鈣鈦礦電池—實現效率和穩定性“雙贏”

【引言】

短短幾年內，有機—無機雜化鈣鈦礦電池的光電轉換效率已經從3.8% 躍升至目前的22.7%。但是由于有機離子易揮發易分解等問題，嚴重影響器件的穩定性，制約著其進一步發展。相比之下，無機鈣鈦礦因其優異的穩定性成為研究者們的關注熱點。CsPbI_3-xBr_x因其較低的相轉變溫度，帶隙可調，相穩定的優勢，是目前無機鈣鈦礦電池的常用材料，但是光照條件下容易相分離，形成I和Br的富集區，進而導致器件性能的下降。在該研究中，作者采用Sn取代部分Pb，使用一步反溶劑方法在150℃下制備CsPb_1-xSn_xIBr₂鈣鈦礦薄膜，顯著提高了鈣鈦礦相穩定性和光穩定性。

【成果簡介】

近日，清華大學王立鐸教授和華盛頓大學Alex K.-Y. Jen教授、Zhu Zonglong 博士（共同通訊作者），清華大學博士生李楠（第一作者）等人使用一步法制備了一系列CsPb_1-xSn_xIBr₂鈣鈦礦薄膜，禁帶寬度在2.04-1.64eV范圍內可調，其中使用CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂鈣鈦礦薄膜制備的太陽能電池V_oc高達1.21V，最高光電轉換效率為11.53%，相較于CsPbIBr₂，鈣鈦礦相穩定性和光穩定性有了顯著提高。相關成果以題為“Inorganic CsPb_1-xSn_xIBr₂ for Efficient Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells”發表在Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

圖一 CsPb_1-xSn_xIBr₂鈣鈦礦薄膜光學性能表征

(a) 鈣鈦礦薄膜照片，隨著Sn含量增加，薄膜顏色逐漸由橘紅色變為深棕色；

(b) 薄膜XRD圖，無雜相出現，表明相分離被明顯抑制；

(c) 可見吸收光譜，隨著Sn含量增加，吸收紅移；

(d) 穩態PL光譜；

(e) 瞬態PL光譜。

圖二 CsPb_1-xSn_xIBr₂鈣鈦礦薄膜SEM

(a) CsPbIBr₂；(b) CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂；(c) CsPb_0.5Sn_0.5IBr₂；

(d) CsPb_0.25Sn_0.75IBr₂；(e) CsSnIBr₂。

圖三 鈣鈦礦電池器件結構及性能曲線

(a) 器件截面SEM圖；

(b) 器件能級結構示意圖；

(c) 器件J-V性能曲線；

(d) 器件EQE曲線。

圖四 鈣鈦礦電池器件性能表征

(a)、(b) 不同光照時間下CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂的穩態PL光譜；

(c)、(d) 光照下CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂電池的正反掃J-V曲線；

(e)、(f) CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂電池穩定功率輸出測試；

(g)、(h) CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂電池效率（反掃及穩態功率輸出）直方圖。

圖五 鈣鈦礦電池器件穩定性測試

CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂電池性能參數穩定性 (a) PCE、(b) Voc、(c) Jsc、(d) FF（室溫下，濕度50~60%，無封裝條件下測試）

【小結】

研究人員制備了一系列CsPb_1-xSn_xIBr₂鈣鈦礦薄膜作為鈣鈦礦電池的光吸收層，并探究了Sn含量對鈣鈦礦薄膜性質及電池性能的影響。其中使用CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂鈣鈦礦薄膜制備的太陽能電池，相較于CsPbIBr₂，器件效率和穩定性都有了顯著的提高。該研究為制備高效穩定的無機鈣鈦礦電池提供了新的思路和方法，推進了鈣鈦礦的產業化進程。

文獻鏈接：Inorganic CsPb_1-xSn_xIBr₂ for Efficient Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.2018,DOI: 10.1002/aenm.201800525）

【團隊介紹】

王立鐸教授領導的課題組是國內外較早從事鈣鈦礦太陽能電池在敏感環境條件下（水氧氣氛、紫外光照、殘留溶劑、加熱或變溫）化學穩定性及其調控研究的團隊之一。該團隊首次從熱力學分析的角度驗證有機無機雜化鈣鈦礦的水氧條件衰降機制并開展了有效的氧化鋁界面修飾工作，為之后國際上雜化鈣鈦礦水氧穩定性的研究奠定了基礎【Guangda Niu, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 705】。基于界面工程提升鈣鈦礦太陽能電池的紫外穩定性，解決光照條件下的紫外光催化分解問題【Xudong Guo, ChemPhysChem, 2015, 16, 1727; Wenzhe Li, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 490】。通過溶劑工程制備高效率鈣鈦礦太陽能電池，并通過引入界面材料改善器件濕法制備過程中存在的溶劑腐蝕問題【Wenzhe Li, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10399, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 13587; Jiangwei Li, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 8882】。通過原位分析表征雜化鈣鈦礦太陽能電池的熱穩定性，驗證了鈣鈦礦層在高溫衰降過程中碘離子和甲胺離子的分解擴散，表明有機組分是器件熱穩定性的直接制約因素【Jiangwei Li, Adv. Energy Mater., 2017, 1602922】。這些成果都達到了同類研究的國際先進水平。

本文由材料人編輯部新人組楊小昆編輯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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