陜師大Adv. Mater.: 通過添加劑策略空氣中印刷制備19%光電轉換效率的CsPbI3鈣鈦礦太陽電池

【研究背景】

鈣鈦礦半導體因其獨特的強光吸收和優異的載流子遷移率而成為太陽能電池的新材料。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCE）已從3.8%提高到25.2%，這已經可以與其他薄膜光伏（PV）器件相媲美。鈣鈦礦材料的一個顯著優勢是能夠在低溫下進行固溶處理，這使得鈣鈦礦太陽能電池有望成為高性能、可印刷和低成本的無真空光伏技術的候選材料。空氣中可印刷的制備技術，如刮涂法，可方便地進入成熟的工業過程。目前，通過刮涂法制備的有機-無機鈣鈦礦太陽能電池的PCE已達到21.9%（8 mm²）。遺憾的是，MA基鈣鈦礦型太陽能電池由于其易揮發的MA⁺陽離子而存在熱穩定性差的問題。用Cs⁺（例如CsPbI₃）取代MA⁺可以顯著提高熱穩定性，并略微增加帶隙（≈1.7 eV），這兩方面共同為高效串聯太陽能電池帶來了希望，但已報道的制備技術無法轉移至大規模商業化應用。

【成果簡介】

近日，陜西師范大學趙奎教授（劉生忠教授團隊）聯合阿卜杜拉國王科技大學Thomas D. Anthopoulos教授報道了空氣中低溫印刷的CsPbI₃太陽能電池。通過引入低濃度的多功能分子添加劑Zn(C₆F₅)₂，可以降低快速結晶成膜導致的能級失配和陷阱密度，從而實現高質量的CsPbI₃鈣鈦礦薄膜。結果表明：添加劑傾向于在CsPbI₃/SnO₂界面附近積累，減少了150 meV的能級差異；同時添加劑在鈣鈦礦表面上也有強烈的化學吸附，減少了陷阱密度。因此空氣中印刷的太陽能電池獲得了19%的能量轉換效率。該文章近日以題為“Printable CsPbI₃ Perovskite Solar Cells with PCE of 19% via an Additive Strategy”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、空氣中刮涂法制備CsPbI₃鈣鈦礦薄膜

（a）刮涂法制備SnO₂、CsPbI₃鈣鈦礦和Spiro-OMeTAD示意圖。

（b）CsPbI₃和用不同濃度的Zn(C₆F₅)₂添加劑處理過的CsPbI₃薄膜的XRD圖。

（c）刮涂法制備的SnO₂、Spiro-OMeTAD、CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的SEM圖。

（d）刮涂法制備的CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的截面SEM圖。

圖二、光伏性能

（a）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的太陽能電池的效率統計圖。

（b）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂的太陽能電池的最高效率的J-V曲線。

（c）CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂太陽能電池的穩定功率輸出曲線。

（d）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂的太陽能電池的EQE。

圖三、Zn(C₆F₅)₂的分布和能級排列

（a）CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂鈣鈦礦薄膜的TOF-SIMS表征。

（b）在CsPbI₃/SnO₂界面上優先積累Zn(C₆F₅)₂的示意圖。

（c）Zn(C₆F₅)₂分子在SnO₂（001）表面的化學吸附。

（d）CsPbI₃的I端（001）表面。

（e）CsPbI₃的Pb端（001）表面。

（f）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的UPS光譜。

（g）太陽能電池的能級圖顯示在CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜內形成了能級梯度，以及CsPbI₃/SnO₂界面的能級排列。

圖四、CsPbI₃薄膜的光物理性質

（a）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的UV-vis和PL光譜對比。

（b）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的TRPL。

（c）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂的電池的開路電壓與光強度的關系。

（d）CsPbI₃鈣鈦礦電池的暗態I-V圖。

（e）CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂鈣鈦礦電池的暗態I-V圖。

（f）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂鈣鈦礦電池電阻抗光譜（EIS）。

【結論展望】

趙奎課題組在刮涂印刷光電器件方面做了系列的工作。在基于有機-無機鈣鈦礦太陽電池從惰性氣氛向空氣中刮涂印刷轉移工作基礎上（Joule 2018, 2, 1313.），通過結晶動力學調控實現了全無機鈣鈦礦CsPbI₂Br太陽電池在空氣中快速印刷制備（Joule, 2019, 3, 2485.）。本工作進一步解決空氣中快速印刷成膜導致薄膜缺陷的關鍵問題，實現高效CsPbI₃太陽能電池。系列工作為未來鈣鈦礦光電器件在空氣中高通量制備提供理論和技術指導。

文獻鏈接：Printable CsPbI₃ Perovskite Solar Cells with PCE of 19% via an Additive Strategy (Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001243)

本文由大兵哥供稿。

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