張京、尚明輝、諸躍進、韓禮元Adv. Energy Mater. ：低毒且高效率的無機鈣鈦礦太陽能電池助力環境友好的應用

【引言】

無機鈣鈦礦由于具有優異的高溫穩定性和光電性能，因此用作鈣鈦礦太陽能電池的光吸收層一直是研究的熱點。其中，基于Cs的鹵化鉛鈣鈦礦CsPbX₃ (X = I, Br, Cl)的載流子遷移率與雜化鈣鈦礦相當，光電轉換效率最近幾年一直在增加。Pb的毒性阻礙著鈣鈦礦太陽能電池的環境友好的應用。因此，制備less-Pb的CsPbX₃?鈣鈦礦太陽能電池，同時保持高光電轉換效率，是一項巨大的挑戰。Pb-Sn共混的鈣鈦礦雖然有效降低鉛含量，但是Sn²⁺的不穩定對電池長期穩定性造成負面影響。因此探尋其它穩定元素降低鉛元素含量的工作具有很大意義。

與此同時，具有低缺陷態的、高品質的無機鈣鈦礦薄膜極大地提高了光電轉換效率，它的制備最近成為關注的焦點。外來元素雜化Pb位的無機鈣鈦礦薄膜結晶過程和CsPbX₃?薄膜顯著不同，且不易制備大晶粒、少缺陷的連續薄膜。因此，高品質的、less-Pb的無機鈣鈦礦薄膜的制備亟待被特別關注。

【成果簡介】

CsPbI₂Br中的10%的Pb被Zn取代后，鈣鈦礦太陽能電池的效率由原來的11.8%提高到13.6%。具有大晶粒的高品質CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br極大地減少了鈣鈦礦晶界產生的陷獲態，促進了電荷的傳輸，輕微地減少能隙，極大地促進了鈣鈦礦太陽能電池性能的提高。CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br還改善了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。相關成果由寧波大學的張京和諸躍進、寧波工程學院的尚明輝和上海交大的韓禮元（共同通訊作者）等人發表在近期的Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1. a) CsPb_1?xZn_xI₂Br薄膜的XRD圖；b) 放大的(100)衍射峰；c)?CsPb_1?xZn_xI₂Br的結構； d)CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br的 Pb 和 Zn的EDS圖；e)?Zn對晶界進行調控的示意圖；f)?CsPb_1?xZn_xI₂Br薄膜的SEM圖

Figure 2. a,b)經過不同溫度加熱的CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的原位XRD圖；c)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的GIWAXS圖；d) 成核和晶體生長的機理的示意圖

Figure 3. a)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的AFM和C-AFM圖； b)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的高度和導電率； c)?CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的陷獲態密度和電荷傳輸性能的測定；d) CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的TRPL譜圖。

Figure 4. a)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的UV–vis吸收譜圖和穩態PL譜圖；b) CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的UPS譜圖；c)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的能帶結構；d)? (CsPbI₂Br)₈ Zn的能態。

Figure 5. a) CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池和CsPbI₂Br太陽能電池的電流密度-電壓曲線，內圖是CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池的截面結構；b)?CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池和CsPbI₂Br太陽能電池的EQE譜圖；c)??CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池和CsPbI₂Br太陽能電池的 TPC；d)?CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池和CsPbI₂Br太陽能電池的TPV ；e)CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池和CsPbI₂Br太陽能電池的效率分布；f)CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池和CsPbI₂Br太陽能電池的穩定性

【小結】

CsPbI₂Br中的10%的Pb被Zn取代，從而形成CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜。CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜有助于鈣鈦礦太陽能電池的能量損耗的大量減少和V_oc的提高，也有助于電荷的傳輸。因此，CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太陽能電池的效率更高。這項工作強調了用無毒、儲備豐富并且性質穩定的元素獲得高效的無機鈣鈦礦太陽能電池。

【作者介紹】

張京博士，第一通訊作者，與課題組領導諸躍進以及成員胡子陽老師自2013年至今開展了鈣鈦礦太陽能電池的研究。在鈣鈦礦太陽能電池器件的制備、性能、穩定性與機理方面積累了扎實的研究基礎。以第一作者和通訊作者在Adv. Energy. Mater.，ACS Eenergy Lett.，Chem. Commun.等主流期刊發表SCI論文50余篇。

【課題組其他優質文獻】

1. n-Type Doping and Energy States Tuning in CH3NH3Pb_1-xSb_2x/3I₃ Perovskite Solar Cells. Acs Energy Letters 2016, 1, 535.
2. Extrinsic Movable Ions in MAPbI3 Modulate Energy Band Alignment in Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials 2018, 8, 1701981.
3. In Situ Grain Boundary Functionalization for Stable and Efficient Inorganic CsPbI2Br Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials 2018, 8, 201801050.

文獻鏈接：Pb‐Reduced CsPb0.9Zn0.1I2Br Thin Films for Efficient Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.，2019，DOI:10.1002/aenm.201900896?）

本文由kv1004供稿。