暨南大學唐群委J Mater Chem A：全無機CsPbBr3鈣鈦礦太陽電池創10.26%的效率紀錄

【引言】

近年來，基于CsPbBr₃的全無機鈣鈦礦太陽能電池（PSC）憑借優異的耐熱、耐光、耐濕性能受到了科研人員的廣泛關注。無機鈣鈦礦薄膜的吸光范圍對光電轉換效率的提升具有關鍵作用，而CsPbBr₃吸光劑的禁帶寬度（E_g）為2.3 eV，過寬的E_g導致該類電池只能利用400 ~ 550nm波長的太陽光，嚴重制約了光伏性能的進一步提升。雖然利用組分工程將I^-離子取代Br^-制備CsPb(I+Br)₃以降低鈣鈦礦層的E_g，但與此同時無機PSC器件的穩定性也大幅下降。因此，如何在不降低器件穩定性的基礎上，拓寬全無機PSC的吸光范圍并提高電池光電轉換是該領域的關鍵科學問題。

【成果簡介】

近日，暨南大學新能源技術研究院的唐群委教授（唯一通訊作者）在Journal of Materials Chemistry A雜志發表了以“10.26%-Efficiency All-Inorganic CsPbBr₃?Perovskite Solar Cell by Spectra Engineering”為題的研究論文。該工作創新性地設計了在550~700nm波長具有光吸收的無機納米光活化材料SnS/ZnS，通過光譜工程拓寬了CsPbBr₃鈣鈦礦層的光響應。同時，利用元素工程將鑭系稀土Tb³⁺離子作為添加劑引入到CsPbBr₃薄膜當中，以增大晶粒尺寸、減少晶界和鈍化晶面，加速電荷傳輸。該研究中制備的具有FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CsPb_0.97Tb_0.03Br₃/SnS:ZnS/NiO_x/C結構的太陽能電池獲得了10.26%的光電轉換效率，這是基于CsPbBr₃體系的最高效率紀錄。此外，這類電池在相對濕度80%、25 ^oC空氣中保持40天或者在80 ^oC、干燥空氣中保持15天，其光電轉換效率都基本不變。

【圖文簡介】

圖1. CsPbBr₃基無機PSC的最高效率以及器件結構和SnS/ZnS的相關表征

（a）基于CsPbBr₃?的全無機PSC器件的最高效率。

（b）全無機PSC器件的SEM斷面圖。

（c，d）ZnS高倍TEM圖和對應的電子衍射圖。

（e，f）SnS高倍TEM圖和對應的電子衍射圖。

?圖2. 無機PSC器件的光伏性能表征

（a）不同類型無機PSC器件的J-V曲線。

（b）最優的無機PSC器件的穩態輸出。

（c）無機PSC的能帶結構圖。

（d）不同類型PSC的IPCE曲線。

?圖3. 無機PSC器件的電荷提取性能

（a）兩種器件的短路電流密度與光強的關系。

（b）兩種器件的開路電壓與光強的關系。

（c）不同鈣鈦礦薄膜的PL圖譜。

（d）不同鈣鈦礦薄膜的瞬態熒光衰減測試。

?圖4. 無機PSC器件的電荷提取性能

（a）無機CsPbBr₃薄膜形貌圖（80% RH, 25oC）。

（b）電池在RH = 80%，T = 25 ^oC下的穩定性。

（c）電池在RH = 0%，T = 80 ^oC下的穩定性。

【小結】

研究人員利用寬光譜響應的光活化材料拓寬了無機PSC器件的吸光范圍，并利用鑭系稀土Tb³⁺離子對CsPbBr₃的摻雜鈍化晶界、加速電子傳輸，最終獲得了10.26%的光電轉換效率。這項工作對于進一步提高CsPbBr₃基全無機PSC的光電轉換效率提供了新思路。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c8ta08900k#!divAbstract

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