陜師大劉生忠教授等人Adv. Funct. Mater.：給鈣鈦礦補“鈣”助力高效CsPbI2Br鈣鈦礦太陽電池制備

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的效率已經達到了25.2%。然而，雜化鈣鈦礦中的有機組分（甲氨和甲瞇）在熱力學上是不穩定的，光照、加熱和高濕條件都會誘導有機組分緩慢揮發或分解，從而導致雜化鈣鈦礦吸光層降解失效。相比之下，基于無機陽離子(Cs⁺)的全無機鈣鈦礦（CsPbX₃）能夠避免有機組分的揮發，進而有望從根本上解決雜化鈣鈦礦的組分穩定性問題。在全無機鈣鈦礦家族中，CsPbI₂Br具有合適的帶隙和結構穩定性，因此近年來引起了研究者的廣泛關注。2019年CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的效率已經達到了16.58%，但其開路電壓較低1.23 V，能量損失高達0.69 eV，效率遠遠落后于雜化鈣鈦礦太陽電池和無機CsPbI₃鈣鈦礦太陽電池。因此，通過減少能量損失來提高CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓和效率很有必要。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學的劉生忠教授和劉治科教授（共同通訊作者）等人報道了通過給無機鈣鈦礦補“鈣”來制備高效穩定的CsPbI₂Br鈣鈦礦電池。作者通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入少量?(0.5%) CaCl₂達到同時提高CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓、填充因子和效率的目的。CaCl₂能夠有效降低CsPbI₂Br薄膜的結晶速率，降低薄膜的缺陷密度，增加薄膜的載流子壽命，并有效提升薄膜的費米能級，增大器件的內建電場，從而提高了CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓。摻雜0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的效率達到16.79%，開路電壓為1.32 V，填充因子是83.29%。另外，未封裝的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池在空氣中放置1080 h后，效率仍能保持其初始效率的90%，穩定性能優異。

【圖文導讀】

圖1. a) 35℃加熱不同時間、摻雜 0-1% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜照片b) 不同CaCl₂濃度摻雜CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的XRD圖和放大的 (200)峰 c) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的UV–vis吸收光譜和Tauc?plot圖d-e) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的穩態PL譜圖和PL強度衰減曲線

圖2. a-b) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的頂視SEM圖 c-d) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的截面SEM圖 e-f) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的AFM圖

圖3. a) 不同CaCl₂濃度摻雜CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的J-V曲線 b) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的EQE圖c) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的電流密度和效率的穩定輸出曲線d) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的能級圖e) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的Mott-Schottky圖f) 摻雜0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的Nyquist圖

圖4. 摻雜 0-1% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的XPS對比圖： a) Cs 3d, b) Pb 4f, c) I 3d, d) Br 3d, e) Ca 2p, f) Cl 2p

圖5. 摻雜 0-1% CaCl₂的CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜在相對濕度為40%的條件下放置不同時間的照片

【小結】

研究團隊系統地研究了CaCl₂對CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜質量和CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池性能的影響規律。CaCl₂中的Ca²⁺能延緩CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的結晶速率并顯著提高其結晶度，從而降低薄膜的缺陷態密度，延長其載流子壽命。此外，CaCl₂還能提高CsPbI₂Br鈣鈦礦薄膜的費米能級，增大器件的內建電場，從而提升CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的開路電壓。最終，CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽電池的效率達到16.79%。

文獻鏈接：Controlled n‐Doping in Air‐Stable CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with a Record Efficiency of 16.79%（Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.201909972）

本文由kv1004編譯供稿。