上海交通大學趙一新JACS :“相穩+濕穩”—效率高達17%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23.3%，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。然而，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。已有研究報道通過引入量子點、構筑2D/3D結構及表面鈍化等方式可制備得到穩定的α相CsPbI3。盡管如此，與相近帶隙的有機—無機雜化鈣鈦礦相比，穩定性和效率還是遜色不少，因此如何制備穩定且高效率的全無機CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池，仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

近日，上海交通大學趙一新教授（通訊作者），王勇博士（第一作者）等人采用PTABr小分子修飾CsPbI3鈣鈦礦膜表面，其中梯度Br摻雜誘導鈣鈦礦晶粒長大并提高相穩定性，同時疏水有機PTA陽離子顯著提高濕度穩定性，進而制備得到高質量穩定的黑相CsPbI3薄膜，最終得到的器件光電轉換效率高達17.06%，為目前已知的無機鈣鈦礦電池的最高效率。相關成果以題為“Bifunctional Stabilization of All-Inorganic α-CsPbI3 Perovskite for 17% Efficiency Photovoltaics”發表在JACS上。

【圖文導讀】

圖一 鈣鈦礦薄膜表征

(a) 紫外-可見吸收光譜；
(b) 鈣鈦礦薄膜的XRD；
(c, d) CsPbI3和PTABr-CsPbI3薄膜的SEM。

圖二 PTABr-CsPbI3鈣鈦礦薄膜元素表征

(a) PTABr-CsPbI3鈣鈦礦薄膜表面元素分布；
(b, c) PTABr-CsPbI3鈣鈦礦電池器件截面SEM及相應的元素分布；
(c) CsPbI3與PTABr-CsPbI3鈣鈦礦薄膜的C1s和N1s的XPS譜。

圖三 PTABr修飾原理及鈣鈦礦薄膜穩定性表征

(a) CsPbI3鈣鈦礦薄膜梯度Br摻雜及PTA陽離子表面鈍化示意圖；
(b) 鈣鈦礦薄膜XRD（氮氣手套箱中80℃加熱72后）；
(c) 鈣鈦礦薄膜XRD（35℃，80±5% RH環境下放置0.5h后）。

圖四 無機鈣鈦礦電池器件性能表征

(a) 器件反掃J-V性能曲線；
(b) 器件效率統計分布直方圖；
(c) PTABr-CsPbI3鈣鈦礦電池在氮氣手套箱中的光穩測試；
(d) 鈣鈦礦電池的瞬態光電流測試。

【小結】

研究人員采用簡單的小分子修飾的方法，通過梯度Br摻雜及PTA陽離子表面鈍化制備得到高質量穩定的CsPbI3無機鈣鈦礦薄膜。PTABr-CsPbI3光伏器件具有較高的VOC和FF，最高效率高達17.06%，穩態輸出效率為16.3%，為目前已知無機鈣鈦礦電池效率之最。研究人員提出的雙功能梯度鹵化物摻雜與有機陽離子表面鈍化的化學策略將為鈣鈦礦實現在各類光電器件中的穩定應用提供有效指導。

文獻鏈接：Bifunctional Stabilization of All-Inorganic α-CsPbI3 Perovskite for 17% Efficiency Photovoltaics?(JACS.2018,DOI: 10.1021/jacs.8b07927）

本文由材料人編輯部新能源組嚕嚕編輯審核，點我加入材料人編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果以及對文獻進行深入解讀，投稿郵箱為tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu 。