中國科學院半導體研究所游經碧Nat. Commun.: 溶劑控制生長研制出轉換效率高達15.7%的CsPbI3全無機鈣鈦礦電池

【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熱穩定性成為研究者們的關注熱點，其中CsPbI3具有1.73eV的帶隙，非常適合與窄帶隙鈣鈦礦或硅制備高效串聯太陽能電池。已有研究表明，在潮濕條件下CsPbI3的α相（黑相）會轉變為非光敏δ相（黃相），使器件性能嚴重惡化。生長出穩定的黑相CsPbI3，制備高效率太陽能電池的工作已有大量報道，如Br部分取代I制備CsPbI2Br或CsPbIBr2鈣鈦礦，B位元素摻雜的方式等，使得無機鈣鈦礦的光電轉換效率已經超過13%。在本研究中，作者采用簡單的溶劑控制生長的方法（SCG）制備了高質量穩定的黑相CsPbI3薄膜，最終得到的器件光電轉換效率高達15.7%，為目前已知的無機鈣鈦礦電池的最高效率。

【成果簡介】

近日，中國科學院半導體研究所游經碧研究員（通訊作者），博士生王鵬陽（第一作者）等人使用溶劑控制生長的方法（SCG）制備了高質量的CsPbI3薄膜，組裝得到的器件光電轉換效率達15.7%，美國Newport權威機構認證效率為14.67%，此外，器件持續光照500h，效率無衰減。相關成果以題為“Solvent-controlled growth of inorganic perovskite films in dry environment for efficient and stable solar cells”發表在Nat.Commun.上。

【圖文導讀】

圖一 CsPbI₃鈣鈦礦薄膜SCG方法制備工藝及表征

(a) SCG方法制備CsPbI₃鈣鈦礦薄膜工藝；
(b) CsPbI₃前驅體薄膜歸一化吸收光譜；
(c) CsPbI₃前驅體薄膜XRD；
(d)~(f) CsPbI₃前驅體和薄膜的SEM。

圖二 干燥氮氣環境下CsPbI₃相穩定性測試

(a) CsPbI₃薄膜（0天、7天）XRD；
(b) CsPbI₃薄膜（0天、7天）吸收光譜；
(c) CsPbI₃薄膜（0天、7天、60天）照片。

圖三 CsPbI₃無機鈣鈦礦電池器件性能表征

(a) 器件J-V性能曲線；
(b) 最佳器件的正反掃J-V性能曲線；
(c) 器件EQE以及積分電流；
(d) 電池效率分布圖。

圖四 CsPbI₃無機鈣鈦礦電池器件光穩

(a) 持續一個太陽光（100mW/cm2）光照下器件光穩測試；
(b) 不同光照時間，器件J-V性能曲線。

【小結】

研究人員采用簡單的SCG方法制備了高質量的CsPbI₃鈣鈦礦薄膜，器件效率為目前所知無機鈣鈦礦電池效率之最，且光照500 h，器件效率無衰減。此外，該課題組將SCG方法應用于CsPbI₂Br、CsPb(I_0.85Br_0.15)₃、CsPbBr₃無機鈣鈦礦電池制備中，分別獲得14.21%、16.14%和9.81%的光電轉換效率。未來將有望通過控制接觸界面和缺陷，使CsPbI₃鈣鈦礦電池的Voc達到1.3 V，實現效率突破20%。

文獻鏈接：Solvent-controlled growth of inorganic perovskite films in dry environment for efficient and stable solar cells（Nature.Commun.2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04636-4）

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