河南大學高躍岳副教授最新Solar RRL: 真空輔助低溫生長策略制備高效穩定的無機鈣鈦礦太陽能電池

【導讀】

近日，河南大學光伏材料省重點實驗室高躍岳副教授，岳根田副教授，齊齊哈爾大學董國華副教授與西北工業大學涂用廣副教授合作提出采用動態真空輔助低溫生長策略制備高質量CsPbIB₂薄膜，并應用于構筑高性能全無機鈣鈦礦電池，該工作以"?Efficient and Stable All-Inorganic CsPbIBr₂?Perovskite Solar Cells Enabled by Dynamic Vacuum-Assisted Low-Temperature Engineering"為題，發表在期刊Solar RRL,鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202100839。

有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池作為新一代可再生能源技術，因其優良的吸收系數、低激子結合能和易于溶液技術制備等優點而備受關注。經過研究人員的不斷努力，雜化鈣鈦礦太陽能電池在短短幾年內光電轉換效率從3.8%迅速提升至25.7%，甚至可以與商用硅太陽能電池相媲美。然而，雜化鈣鈦礦太陽能電池的活性層含有機離子（CH₃NH₃⁺, CH₃(NH₂)₂⁺）對水氧較為敏感、不穩定且易揮發，對其大規模商業化產生不利影響。最近，采用無機Cs⁺取代雜化鈣鈦礦中有機陽離子構筑全無機鈣鈦礦太陽能電池成為解決雜化鈣鈦礦太陽能電池穩定性欠佳的有效途徑。在眾多全無機鈣鈦礦材料中，CsPbIBr₂因其合適的帶隙和出色相穩定性間的調諧而備受關注。然而，傳統方法制備的CsPbIBr₂薄膜往往結晶過快導致形貌不可控，薄膜質量差，易形成針孔產生漏電而限制其器件性能。

鑒于上述研究現狀，河南大學高躍岳副教授與碩士生黃軍意提出了一種動態的真空輔助低溫生長策略（VAST）用來制備高效、穩定的全無機鈣鈦礦太陽能電池。團隊指出通過調控薄膜退火時的真空度和退火溫度可有效控制CsPbIBr₂薄膜的形貌和結晶質量。經過多方位優化，通過VAST策略可以實現無針孔、高結晶度CsPbIBr₂薄膜制備，進而實現了電荷提取和缺陷態密度弱化的雙重功效。特別的是，基于VAST策略制備的器件效率由空白的9.00%可提升至11.01%，其中更是展現出75.31%的高填充因子，也是CsPbIBr₂鈣鈦礦電池中報道的最高值。此外，優化器件的熱穩定性和空氣穩定性均得到進一步提高。該工作表明VAST策略為制備高效穩定全無機鈣鈦礦電池提供了新的路徑。

【圖文解讀】

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Scheme1.?The schematic illustration of the dynamic vacuum-assisted low-temperature engineering for preparing VALT-CsPbIBr₂?film.

Figure 1. a,d) SEM, b,e) AFM, and c,f ) KPFM images of HT-CsPbIBr₂?film, (a-c)?and?VALT-CsPbIBr₂film?(d-f),?respectively.

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Figure 2. a) XRD patterns; b) energy level diagram of functional layers in PSCs of this work; c) steady PL spectra with quartz glasses as substrate; d) TRPL?spectra with quartz glasses as substrate; e,f ) time dependence of absorption spectra in the ambient environment (25℃, 40–50% relative humidity),?where two samples correspond to HT-CsPbIBr₂?and VALT-CsPbIBr₂, respectively.

Figure 3. a) Schematic illustration and b) cross-sectional SEM image of VALT-CsPbIBr₂?PSCs; c) J-V curves measured from the reverse direction, d) EQE?spectra coupled with J_int, e) steady-state output of PCE at the maximum power point, and f ) statistical histogram of PCE from 20 individual HT-CsPbIBr_2?PSCs and VALT-CsPbIBr₂?PSCs, respectively.

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Figure 4. a) TPC, b) P_light?depended on J_SC, c) TPV, d) P_light?depended on V_OC, e) SCLC results of single-carrier devices with the structure of ITO/ZnO/CsPbIBr₂/PCBM/Ag, and f ) Mott-Schottky curves of PSCs based on HT-CsPbIBr₂?and VALT-CsPbIBr₂,?respectively.

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Figure 5. Time-dependent variations of normalized PCE of the unencapsulation HT-CsPbIBr₂?PSCs and VALT-CsPbIBr₂?PSCs a) storing in the ambient?environment (25-28℃, 50% relative humidity) and b) continuously heated at 80 ℃?in the glovebox (H₂O < 1 ppm, O₂?< 1 ppm), respectively; photovoltaic parameters and fabrication parameters of CsPbIBr₂?PSCs via different methods, where c) plots of PCE against Voc, d) plots of FF against PCE,?e) plots of PCE against the temperature of ETL, and f ) plots of PCE against the temperature of the photoactive layer

河南大學為論文第一完成單位，碩士生黃軍意和何盛華為第一論文共同作者，高躍岳副教授為第一通訊作者，河南大學岳根田副教授和齊齊哈爾大學董國華副教授為論文共同通訊作者。此外，該工作受到西北工業大學涂用廣副教授的大力指導與支持。研究工作受到國家自然科學基金項目、國家博士后面上基金項目、河南省自然科學基金等資助。

【延伸閱讀】

高躍岳

河南大學光伏材料省重點實驗室研究員，碩士生導師，畢業于哈爾濱工業大學，師從張勇研究員/楊玉林教授，主要研究方向為有機太陽能電池、全無機鈣鈦礦太陽能電池、染料敏華太陽能電池。目前以第一或通訊作者在Nano Energy，Small，Journal of Materials Chemistry A，Journal of Materials Chemistry C，Solar RRL，Macromolecules等國際SCI期刊發表論文15篇。

岳根田

河南大學光伏材料省重點實驗室研究員，碩士生導師，畢業于華僑大學，師從吳季懷教授，主要研究方向為染料敏華太陽能電池、超級電容器。目前以第一或通訊作者在Nano Energy,?Journal of Materials Chemistry A,?Journal of Physical Chemistry C, Electrochimica Acta等國際SCI期刊發表論文40余篇。

董國華

齊齊哈爾大學副教授，碩士生導師，畢業于哈爾濱工業大學，師從楊玉林教授，主要研究方向為無機納米材料制備及光電催化，薄膜太陽能電池的性能優化，生物質材料應用功能性轉化。目前在Adv.Energy Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chemsuschem, Electrochemica Acta, Applied surface science等國際SCI期刊發表論文20余篇。

涂用廣

西北工業大學柔性電子研究院副教授，碩士生導師，畢業于北京大學，師從周歡萍教授，主要研究方向為鉛鹵鈣鈦礦薄膜的制備優化、高效鈣鈦礦光伏器件的構筑、鈣鈦礦光伏器件在特殊領域（臨近空間）的應用探索、柔性光伏器件、無機半導體納米材料。目前在Advanced Materials，iScience,?Journal of Materials Chemistry A,?ACS Applied Materials & Interfaces,?Nanoscale,?Science China-Physics, Mechanics & Astronomy等國際重要學術刊物上發表學術論文46篇。