Adv. Energy Mater.：功率轉換效率破紀錄！重鑄策略助力高性能全無機鈣鈦礦/有機集成太陽能電池

【背景介紹】

全無機銫-鉛混合鹵素（CsPbX₃, X=I, Br）鈣鈦礦太陽能電池（pero-SCs）具有優異的熱穩定性和高功率轉換效率（PCE），但是I含量（I/Br比）極大的影響了全無機鈣鈦礦的水/光穩定性和效率。其中，CsPbIBr₂具有平衡的帶隙和優異穩定性，被認為是應用于太陽能電池的最佳選擇。同時，CsPbIBr₂具有2.1 eV的禁帶、無需高溫退火等優勢。因此，亟需探索基于CsPbIBr₂的高性能pero-SCs的研究領域。但是，pero-SCs較低的開路電壓（V_oc<1.2 V）和短路電流密度（J_sc<11 mA cm^-2），導致PCE較低（＜9％）。有機半導體材料（OSMs）具有可調能級/帶隙、低固有缺陷等優點，因此，利用OSMs或許可以提高全無機CsPbIBr2的質量并擴展其吸收光譜，從而提升相應器件的效率和穩定性。最近，根據能級匹配和互補吸收的規則，提出了在鈣鈦礦上沉積低帶隙有機本體-異質結（BHJ）層來集成兩個光敏層的概念，以擴展pero-SCs的光響應。但是，大多數集成太陽能電池（ISCs）具有較弱的光電流，并且伴有填充因子（FF）嚴重惡化。因此，必須探索在ISCs中實現高光電流而又不降低器件性能的有效策略。

【成果簡介】

近日，蘇州大學的李耀文教授、中科院化學研究所的朱曉張研究員和國家納米科學中心的周二軍研究員（共同通訊作者）等人聯合報道了一種重鑄策略，以優化低帶隙有機本體-異質結（BHJ）薄膜的空間分布組件，并與全無機鈣鈦礦相結合以構造鈣鈦礦/BHJ ISCs。根據互補吸收和能級匹配的規則，通過將重鑄有機BHJ與CsPbIBr₂結合起來，成功實現了高性能ISCs。其中，CsPbIBr₂具有出色的熱穩定性，可以防止鈣鈦礦在BHJ薄膜沉積過程中降解。重鑄的BHJ薄膜不僅可以實現頂部富集供體組分，而且可以微調組分的分子方向。具有重鑄BHJ薄膜的ISCs可以有效抑制界面電荷載流子復合，增強鈣鈦礦與BHJ薄膜之間的雙極性電荷傳輸行為。實驗結果發現，高光響應從600 nm擴展到730 nm，最大外部量子效率（EQE）值為40％，同事在不犧牲其它光伏性能下又貢獻了20％的J_sc。總之，基于CsPbIBr₂的pero-SCs的PCE達到了創紀錄的11.08％，并具有優異的長期熱（85 ^oC）穩定性和紫外光（100 mW cm^-2）穩定性。研究成果以題為“Spatial Distribution Recast for Organic Bulk Heterojunctions for High-Performance All-Inorganic Perovskite/Organic Integrated Solar Cells”發布在國際著名期刊Adv. Energy Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、BHJ薄膜的應用和性能
（a）左：全無機鈣鈦礦/有機BHJ ISC的裝置結構；右：CsPbIBr₂的晶體結構和OSMs的分子結構；

（b）CsPbIBr₂、BHJ-1和BHJ-2薄膜的歸一化吸收光譜和AM 1.5G光譜；

（c-d）在AM 1.5G 100 mW cm^-2照明下，具有不同OSMs作為HTL的設備的J-V曲線和EQE光譜；

（e）與不同BHJ薄膜集成的CsPbIBr₂的能級圖。

圖二、不同器件配置測量ISCs的J-V曲線
（a）ITO/Cl-TiO₂/CsPbIBr₂/PBDB-T/MoO₃/Al；

（b）ITO/Cl-TiO₂/CsPbIBr₂/PBDB-T/BT2b/MoO₃/Al；

（c）相應的EQE光譜。

圖三、不同組成薄膜的性能
（a）PBDB-T和BT2b在MeOH/THF混合溶劑中的溶解度；

（b）CsPbIBr₂、CsPbIBr₂/BHJ-2和CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的吸收光譜；

（c）裸PBDB-T、裸BT2b和BHJ-2-RC薄膜的表面電勢（SP）；

（d）對BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的N元素進行EDS映射；

（e）涂有BHJ-2或BHJ-2-RC的CsPbIBr₂鈣鈦礦膜的XRD圖譜。

圖四、BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的表征
（a）CsPbIBr₂/BHJ-2和CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的AFM高度圖像；

（b）BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的TEM圖像；

（c）用于BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的2D GIWAXS模式；

（d）BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的面外和面內GIWAXS輪廓；

（e）BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜（100）層狀衍射的電極圖。

圖五、不同薄膜的穩態PL光譜和XPS光譜
（a-b）在玻璃基底上制作不同薄膜的穩態PL光譜和TRPL圖；

（c-d）CsPbIBr₂、CsPbIBr₂/BHJ-2和CsPbIBr2/BHJ-2-RC薄膜的Cs 3d和Pb 4f的XPS光譜。

圖六、BHJ-2薄膜重鑄過程的示意圖

圖七、BHJ-2-RC基ISCs的性能測試
（a）BHJ-2-RC基ISCs的截面SEM圖像；

（b）在AM 1.5G、100 mW/cm²光照下，BHJ-2-RC基ISCs的J-V曲線；

（c）在1 V的V_bias下，測量BHJ-2-RC基ISCs的穩態PCE；

（d）BHJ-2-RC基ISCs的EQE頻譜；

（e）BHJ-2-和BHJ-2-RC基ISCs的光電場分布；

（f）最近報道的20種全無機CsPbIBr₂基pero-SCs或ISCs的J_sc和PCE的統計圖；

（g）在熱退火溫度為85℃、N₂氣氛下，不同薄膜的歸一化PCE；

（h）在100 mW/cm²紫外線照射、N₂氣氛下，不同薄膜的歸一化PCE。

【小結】

綜上所述，作者報道了一種有機BHJ薄膜的重鑄策略，并成功地制備了全無機鈣鈦礦/有機BHJ ISCs。基于CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的ISCs具有最豐富的PBDB-T空間分布，可以顯著抑制界面電荷載流子的復合，并改善集成的兩個光敏層中的雙極性電荷傳輸行為。具有CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的ISCs的光響應從600 nm擴展到730 nm，從而貢獻20％的J_sc。同時，V_oc為1.22 V、FF為72.66％、PCE為11.08％。其中，PCE是已報道的CsPbIBr₂基pero-SCs中最高的。此外，利用重鑄策略的ISCs在高溫和強紫外線照射下也具有很好的長期穩定性。總之，該方法為制備高性能ISCs開辟了一條新途徑，并且必將加速ISCs在實際應用中的開發。

文獻鏈接：Spatial Distribution Recast for Organic Bulk Heterojunctions for High-Performance All-Inorganic Perovskite/Organic Integrated Solar Cells（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000851）

本文由CQR編譯。

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