南開大學Joule：準二維無機鈣鈦礦構筑高效穩定太陽能電池

【引言】

相對于有機無機雜化鈣鈦礦，全無機鈣鈦礦(如CsPbX₃)具有優異的載流子傳輸特性的同時，還具有較高的濕熱穩定性，因此受到研究者的廣泛研究。然而，目前溶液法制備的銫基無機鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率仍然遠遠低于有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池。其中一個主要原因是，由于鹵化銫(CsX)和鹵化鉛(PbX₂)在極性溶劑中(如DMF)的溶解度較低，導致其制備的鈣鈦礦薄膜厚度大部分均在200 nm以下，而這個厚度遠低于高效無機鈣鈦礦太陽電池的薄膜厚度最佳值(400~600 nm)，因此突破傳統的溶解性問題獲得高吸光性的鈣鈦礦薄膜是其中一個巨大挑戰。此外，吸光率高的窄帶隙立方相富碘鹵化銫鉛鈣鈦礦在常溫下所面臨的熱力學不穩定性問題，也很大程度限制了銫基無機鈣鈦礦太陽能電池的發展。因此，如何抑制立方相的無機鉛鈣鈦礦在常溫下所發生的自發相轉化又是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，南開大學袁明鑒研究員等人在Joule上發表了一篇名為“Reduced-Dimensional α-CsPbX₃ Perovskites for Efficient and Stable Photovoltaics”的文章。該研究通過一種全新的前驅液組合(乙酸銫(CsAc)和三鹵氫鉛(HPbX₃))克服了以往前驅體溶解度極低的問題，進而成功制備出厚度為500 nm的高質量銫基無機鈣鈦礦薄膜。此外，作者在該溶液體系中進一步引進了苯乙基碘化銨(phenylethylammonium iodide, PEAI)可以有效地構筑準二維無機鈣鈦薄膜。該法可有效地抑制常溫下立方相鈣鈦礦向黃相(yellow phase)的自發相轉變，并且大大地降低了薄膜的缺陷態密度。按照以上方法，作者成功地制備出至今為止效率最高的無機鈣鈦礦太陽能電池(12.4%)，并且具有優異的環境穩定性。

【圖文簡介】

圖1：全無機鈣鈦礦鹵化銫鉛（CsPbX₃）的相關表征

(a). 不同鹵素配比的無機鈣鈦礦薄膜吸收光譜；

(b). 不同鹵素配比的無機鈣鈦礦薄膜的光學帶隙隨不同鹵素含量的變化曲線；

(c). 無機鈣鈦礦CsPbI₃, CsPbI₂Br, CsPbIBr₂, CsPbBr₃鈣鈦礦薄膜對應的XRD；

(d). 大面積9×9 cm²無機鈣鈦礦薄膜的數碼照片;

(e). CsPbIBr₂鈣鈦礦薄膜的SEM圖。

圖2：鹵化銫鉛鈣鈦礦太陽能電池光伏特性

(a). 基于CsPbI₃, CsPbI₂Br, CsPbIBr₂, CsPbBr₃薄膜鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；

(b). 基于不同鹵素配比無機鈣鈦礦薄膜太陽能電池相應的EQE曲線；

(c). 相應鈣鈦礦薄膜組裝太陽能電池在空氣中的老化曲線。

圖3：準二維鈣鈦礦薄膜的表征

(a). 不同<n>值無機準二維鈣鈦礦以及相應相對分解能量的示意圖；

(b). PEA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1無機準二維鈣鈦礦薄膜的吸收光譜

(c). 不同<n>值的鈣鈦礦粉末的小衍射角XRD；

(d). 空氣中老化后不同<n>值的鈣鈦礦薄膜的小衍射角XRD；

(e). 不同<n>值無機準二維鈣鈦礦的穩態熒光光譜；

(f). <n>=40，60的準二維鈣鈦礦與體相全無機鈣鈦礦的瞬態熒光衰減壽命測試

圖4：準二維無機鈣鈦礦太陽能電池的性能表征

(a). 用PEA₂Cs_n-1Pb_nX_3n+1鈣鈦礦作為吸收層的鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖；

(b). <n>=60的準二維無機鈣鈦礦太陽能電池的截面SEM圖；

(c). <n>=60的準二維無機鈣鈦礦太陽能電池的平面SEM圖；

(d). 基于不同<n>值無機鈣鈦礦的太陽能電池J-V曲線；

(e). 體相全無機與準二維無機鈣鈦礦薄膜在空氣中老化前后的對比數碼照片；

(f). <n>=60的準二維無機鈣鈦礦太陽能電池的EQE曲線；

(g). 基于不同<n>準二維無機鈣鈦礦的器件穩定性測試。

【小結】

該研究成功地突破了無機鹵化銫鉛鈣鈦礦太陽電池的兩個難題。其一是利用新型前驅液組合(CsAc, HPbX₃)制備出厚度約500 nm的鈣鈦礦薄膜，突破了傳統前驅體溶解性差導致薄膜過薄吸光度低的問題；其二是通過在該體系中引入PEAX,成功地構筑準二維無機鈣鈦礦，有效地提高鈣鈦礦薄膜的熱力學穩定性，進而抑制室溫下的自發相轉變。通過以上措施，作者成功研制出目前效率最高的無機鹵化銫鉛鈣鈦礦太陽能電池，效率達到12.4%，并且具有優異的環境穩定性。

文獻鏈接：Reduced-Dimensional a-CsPbX₃ Perovskites for Efficient and Stable Photovoltaics (Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.05.004)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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