南京工業大學邵宗平&王緯Adv. Funct. Mater.: N719染料助力Cs2AgBiBr6鈣鈦礦太陽能電池效率突破2.84%

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其高光電轉換效率及簡單廉價的制備工藝，在光伏領域掀起了新的研究熱潮。經過近十年的研究發展，鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉換效率已經躍升至最新認證的25.2%，與商業化的晶硅太陽能電池相當。但是鈣鈦礦太陽能電池較差的穩定性和鉛的毒性一直是制約其商業化應用的主要障礙。基于上述挑戰，穩定性優異且環境友好的全無機無鉛鈣鈦礦是十分有前景的替代材料。
目前的一些替代材料諸如Sn基和Ge基鈣鈦礦由于自身的穩定性問題難以得到持續的發展；雙鈣鈦礦Cs₂AgBiBr₆最近引起了研究者的廣泛關注，但由于其較大的帶隙、較差的載流子傳輸性質以及不易控制的制備工藝等，其光電轉換效率遠遠低于理論值，因此Cs₂AgBiBr₆無鉛鈣鈦礦材料仍有很大的進步發展空間。

【成果簡介】

近日，南京工業大學邵宗平教授、王緯教授（共同通訊作者）等人將N719染料旋涂于Cs₂AgBiBr₆薄膜上，制備了基于FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/Cs₂AgBiBr₆/ N719/Spiro-OMeTAD/Ag結構的全無機非鉛鈣鈦礦太陽能電池。研究表明N719染料能夠有效拓寬光譜吸收范圍、減少薄膜表面缺陷并加速空穴提取。修飾后的鈣鈦礦器件光電轉換效率最高可達2.84%，高于目前文獻上報道的大部分Cs₂AgBiBr₆鈣鈦礦太陽能電池的效率，大氣環境下的工作穩定性也得到了顯著改善。相關成果以題為 “Simultaneous Power Conversion Efficiency and Stability Enhancement of Cs₂AgBiBr₆ Lead-Free Inorganic Perovskite Solar Cell through Adopting a Multifunctional Dye Interlayer” 發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一 Cs₂AgBiBr₆鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖

(a) 基于N719修飾后器件的截面SEM；
(b) 基于N719修飾后器件的能帶結構示意圖；
(c, d) 修飾前后鈣鈦礦器件中載流子傳輸示意圖。

圖二 Cs₂AgBiBr₆鈣鈦礦太陽能電池的性能測試

(a) N719修飾前后鈣鈦礦太陽能電池的正反掃J-V性能曲線；
(b) N719修飾前后鈣鈦礦太陽能電池的效率分布圖；
(c) Cs₂AgBiBr₆基鈣鈦礦太陽能電池效率總結對比；
(d) N719修飾后鈣鈦礦太陽能電池的穩態光電流和效率輸出曲線；
(e) N719修飾前后鈣鈦礦太陽能電池的EQE光譜和積分電流；
(f) N719修飾前后鈣鈦礦薄膜的紫外-可見吸收光譜。

圖三 器件載流子傳輸性質表征

(a) Cs₂AgBiBr₆薄膜的PL光譜；
(b) 無光照條件下，鈣鈦礦太陽能電池在0.9 V偏壓下的EIS譜；
(c) 在暗態條件下，鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；
(d) 在暗態條件下，純空穴傳輸器件的J-V曲線；
(e, f) 鈣鈦礦太陽能電池的J_sc和V_oc 隨光強變化曲線及其擬合曲線。

圖四 鈣鈦礦太陽能電池的穩定性測試

(a) N2手套箱中鈣鈦礦太陽能電池效率變化曲線；
(b) 在大氣環境下（相對濕度30-40%，溫度20-30℃）老化16天，鈣鈦礦太陽能電池效率變化曲線。

【小結】

研究人員通過在Cs₂AgBiBr₆鈣鈦礦太陽能電池中引入N719染料，拓寬了器件的光吸收范圍、鈍化了鈣鈦礦薄膜表面缺陷、加速了空穴的提取傳輸并同時實現了材料能級的更好匹配，制備獲得的非鉛全無機鈣鈦礦太陽能電池效率高達2.84%，高于目前文獻上報道的大部分Cs₂AgBiBr₆鈣鈦礦電池的效率。在大氣環境下老化16天，N719修飾后的鈣鈦礦太陽能電池效率無明顯降低。該研究為環境友好型Cs₂AgBiBr₆基鈣鈦礦太陽能電池的性能提升提供了一種有效且便捷的新策略，有望加速鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用。

文獻鏈接：Simultaneous Power Conversion Efficiency and Stability Enhancement of Cs2AgBiBr6 Lead-Free Inorganic Perovskite Solar Cell through Adopting a Multifunctional Dye Interlayer（Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.202001557）

【通訊作者簡介】

邵宗平，南京工業大學化工學院教授，博士生導師。歐盟科學院院士、“國家百千萬人才工程”有突出貢獻的青年專家、長江學者、國家杰青。已在Nature (2)、Nature Energy (1)、Nature Commun (5)等國際期刊發表SCI論文600余篇。主要從事燃料電池、電催化、太陽能電池、光催化、鋰/鈉離子電池、水處理等領域的研究。

王緯，南京工業大學化工學院教授，江蘇省特聘教授，碩士生導師。2013年博士畢業于南京工業大學，2013-2018年在澳大利亞科廷大學從事博士后研究。2019年入職南京工業大學從事科研和教學工作。已在Joule、Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等國際期刊發表SCI論文80余篇。主要從事太陽能電池、燃料電池、電催化、光催化等領域的研究。

本文由嚕嚕編譯。