暨南大學范建東&李聞哲Adv. Energy Mater.：高效穩定1D@3D鈣鈦礦太陽電池

【引言】

在短短十多年的時間里鈣鈦礦太陽電池的光電轉化效率從3.8%飛速提高到25.2%^[1]，然而，實現鈣鈦礦太陽電池產業化的最大瓶頸是其穩定性問題，尤其是在紫外光、水氧等敏感條件下的長期穩定性^[2,3]。

【成果簡介】

近日，暨南大學信息學院新能源技術研究院范建東&李聞哲團隊的論文“Lattice-Matching Structurally-Stable 1D@3D Perovskites toward Highly Efficient and Stable Solar Cells”在Advanced Energy Materials（AEM）雜志上發表。碩士生劉鵬為第一作者，范建東研究員和李聞哲副研究員為文章共同通訊作者。

該研究得到了國家自然科學基金委?(51872126、51672111、51802120)，廣東自然科學杰出青年學者基金(2019B151502030)，廣東省自然科學基金(2018030310181)，中央高校基礎研究經費(21617341，21619406)，珠江“青年拔尖人才”項目(2017GC010424)的共同資助。此外，感謝本科生冼業銘同學廣東省大學生科技創新能力培養專項資金資助(pdjh2019a0055)。

【本文亮點】

本論文設計了基于PbI₂-bipyridine (II) 材料的1D@3D維度雜化鈣鈦礦太陽電池，1D@3D鈣鈦礦異質結界面晶格的高效匹配不僅增強了載流子輸運而且抑制了負面離子遷移，進而實現了21.18%的光電轉化效率和光氧、水-電場等復合敏感條件下的長期穩定。

【圖文導讀】

圖1 1D@3D鈣鈦礦薄膜的成膜動力學過程

（a）鈣鈦礦薄膜的XRD譜圖；

（b）成膜過程中，由BPy-PbI₂?(I)?到BPy-PbI₂?(II)?的異構化過程；

（c）和圖（d）分別為BPy-PbI₂?(I)?和BPy-PbI₂?(II)?材料的XRD譜圖。

圖2 1D@3D異質結界面匹配示意圖及界面電子密度分布圖

圖3 1D@3D鈣鈦礦在電場和微量水條件下的研究（E-field=100V mm^-1，R.H.=3%）

通過研究1D@3D 和3D鈣鈦礦在電場和微量水的作用下薄膜表面的變化，可以發現1D@3D鈣鈦礦薄膜在電場和微量水的條件下分解的速率減慢，表明1D@3D鈣鈦礦對電場和微量水的條件有較好的屏蔽作用。

（a）原位低真空SEM表征原理圖；

（b）和圖（c）3D和1D@3D鈣鈦礦薄膜的界面SEM圖和EDS線掃描譜。

圖4 器件性能的研究

圖（a）3D和1D@3D（1mg/mL）鈣鈦礦材料的能帶位置示意圖；

圖（b）1D@3D（1mg/mL）鈣鈦礦器件的J-V曲線；

圖（c）1D@3D（1mg/mL）鈣鈦礦器件的EQE曲線；

圖（d）1D@3D（1mg/mL）鈣鈦礦器件的SPO曲線和效率分布統計圖；

圖（e）3D和1D@3D鈣鈦礦在光氧條件下的穩定性曲線圖；

圖（f）3D和1D@3D鈣鈦礦在光氧水條件下的穩定性曲線圖。

【展望】

本論文以鈣鈦礦材料本身作為研究重點，提出了維度雜化鈣鈦礦結構，探究了光、氧、水、溫度和電場等敏感條件下鈣鈦礦的分解過程。通過設計并生長了具有1D結構的BPy-PbI₂鈣鈦礦材料，并成功誘導生長了1D@3D鈣鈦礦薄膜，1D鈣鈦礦所特有的“軟晶格”與傳統3D鈣鈦礦實現了良好的界面晶格匹配。基于鈣鈦礦的維度雜化結構，1D@3D鈣鈦礦太陽電池分別在光/氧和光/氧/水條件下老化150小時和75小時，1D@3D鈣鈦礦太陽器件的效率保持率均超過90%，而傳統3D鈣鈦礦器件的效率保持率僅為40%和5%，維度雜化鈣鈦礦電池表現出更優異的環境穩定性。本研究為制備高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池器件提供了重要思路和理論基礎，積極推動鈣鈦礦太陽電池的產業化進程。

課題組研究進展：本課題組長期致力于新型鈣鈦礦材料及其高性能光電器件的研究，近兩年課題組在鈣鈦礦維度調控和雜化、全無機鈣鈦礦及基于鈣鈦礦單晶光電探測器方面取得了一系列進展：（1）在有機無機雜化電池方面：我們在3D鈣鈦礦中摻雜乙酰丙酮鎵實現了“核殼”結構，器件在相對濕度為50%條件下老化800 h，效率為初始值的85%（Energy Environ. Sci.?2018, 11, 286）。（2）利用維度調控，我們將1-(2-吡啶基)-1H-吡唑（PZPY）作為A位基團，1D鈣鈦礦材料與3D鈣鈦礦材料原位生長實現1D@3D雜化鈣鈦礦，器件在相對濕度55%，環境溫度85條件下經過5個老化循環后效率保持率在90%以上，器件表現出了優異的熱力學自修復性能（Adv. Energy Mater.?2018, 8, 1703421）。（3）在全無機鈣鈦礦太陽電池方面：課題組開發了基于ZnO@C60復合結構的電子傳輸層，增強了電荷提取效率?(J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 3825)。此外，我們將InCl₃引入無機CsPbI₂Br鈣鈦礦中，通過In³⁺和Cl^-共摻雜獲得了穩定的α相鈣鈦礦薄膜，通過輻射加熱方法獲得13.74%的器件轉換效率。（Adv. Energy Mater.?2018, 1803572）。（4）在鈣鈦礦光電探測器方面：我們通過使用PEABr原位誘導生長了Cs₂AgBiBr₆單晶材料，顯著提高了晶體B位金屬的有序性，有效降低了單晶的缺陷態密度和激子自陷域效應，器件的響應時間由3190 μs 縮短到13 μs，X射線探測靈敏度提高到了288.8 μC Gy_air^?1?cm^?2?（電場強度22.7 V mm^?1），達到世界領先水平。（Adv. Funct. Mater. 2019,1900234）。

【參考文獻】

[1] ?https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png.

[2] ?Aristidou, N.; Sanchez-Molina, I.; Chotchuangchutchaval, T.; Brown, M.; Martinez, L.; Rath, T.; Haque, S. A., The Role of Oxygen in the Degradation of Methylammonium Lead Trihalide Perovskite Photoactive Layers. Angew Chem Int Ed Engl 2015, 54?(28), 8208-12.

[3] ?Lira-Cantú, M., Perovskite solar cells: Stability lies at interfaces. Nature Energy 2017,?2?(7).

Lattice‐Matching Structurally‐Stable 1D@3D Perovskites toward Highly Efficient and Stable Solar Cells

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903654