山東科技大學段加龍&暨南大學唐群委ACS Energy Letters：晶粒牢籠策略抑制全無機混合鹵素鈣鈦礦太陽能電池相分離

引言

近年來，全無機混合鹵素鈣鈦礦由于具有優良的帶隙可調性，在疊層電池器件中具有很好的應用前景。然而，與單鹵素鈣鈦礦相比，隨著Br/I比例的增加，在光照情況下，混合鹵素鈣鈦礦薄膜表現出非常明顯的相分離，容易在薄膜內部產生大量的缺陷態，產生新的復合中心，造成載流子非輻射復合，嚴重制約電池效率與穩定性的提升。因此如何有效地降低缺陷密度，穩定晶格結構并抑制離子遷移對于提升全無機混合鹵素鈣鈦礦太陽能電池器件的光伏性能和穩定性至關重要。

成果簡介

近日，暨南大學唐群委&山東科技大學段加龍等人在ACS Energy Letters上發表題為“A Universal Grain “Cage” to Suppress Halide Segregation of Mixed-Halide Inorganic Perovskite Solar Cells”的研究型論文。該工作創新性的提出晶粒牢籠的概念，通過在全無機混合鹵素鈣鈦礦（以CsPbIBr₂為例）晶界原位生長富氮共價有機骨架(COF)，不僅能通過配位作用有效鈍化薄膜缺陷，而且可以增加碘離子遷移活化能和碘空位形成能，最終顯著提高了電池器件的光伏性能，并抑制了光致相分離現象。經COF改性CsPbIBr₂和CsPbI₂Br鈣鈦礦電池分別實現了11.50%和14.35%的光電轉換效率，光穩定性也明顯改善，為全無機混合鹵素鈣鈦礦太陽能電池缺陷鈍化和相穩定性增強策略提供了新思路。暨南大學博士后張軍帥為第一作者，山東科技大學段加龍教授和暨南大學唐群委教授為文章通訊作者。

圖1. ?(a, c) 對照組和(b, d) COF-CsPbIBr₂ 鈣鈦礦薄膜經歷光照前后的SEM照片；(e, g) 對照組和(f, h) COF-CsPbIBr₂ 鈣鈦礦薄膜經歷光照前后的XRD譜圖；(i) CsPbIBr₂鈣鈦礦發生光致相分離過程示意圖；(j) CsPbIBr₂鈣鈦礦晶界存在COF時抑制光致相分離現象示意圖。

圖2. ?(a, c) CsPbIBr₂和(b, d) COF-CsPbIBr₂ 鈣鈦礦薄膜在模擬太陽光(AM1.5G, 100 mW cm^-2) 持續光照120 min前后鈣鈦礦薄膜紫外可見吸收光譜和相對初始光譜吸收強度變化圖；(e-f) COF處理前后CsPbIBr₂鈣鈦礦薄膜的PL成像；(g) 鈣鈦礦薄膜的Pb 4f- XPS譜圖；(h) COF重復單元的靜電勢分布；(i) 碘空位形成能；(j-l) 理論計算模擬COF處理前后CsPbIBr₂鈣鈦礦中碘離子的遷移路徑及在對應位點的活化能。

圖3. ?(a) CsPbIBr₂鈣鈦礦存在碘空位和(b) 被COF鈍化的電荷密度分布，其中黃色和青色分別表示電子累積和缺失；(c) CsPbIBr₂鈣鈦礦產生碘空位時，引入COF前后在最低導帶附近對應的DOS曲線和局部放大圖；(d) 純電子器件的暗態J-V曲線；(e) CsPbIBr₂和COF-CsPbIBr₂ 鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜；(f-h) COF鈍化前后FTO/c-TiO₂/CsPbIBr₂鈣鈦礦薄膜在光照前后對應的KPFM和電勢分布。

圖4. (a) CsPbIBr₂和COF-CsPbIBr₂ 鈣鈦礦電池器件的 J-V曲線；(b) EQE譜圖；(c) 穩態輸出曲線；(d) 暗態模特-肖特基曲線；(e) 暗態J-V曲線；(f) CsPbI₂Br和COF-CsPbI₂Br 鈣鈦礦電池器件的 J-V曲線；(g) 接觸角照片和持續光照時所對應的鈣鈦礦薄膜照片；(h) T = 25 °C和RH = 10%的大氣環境下，未封裝的CsPbIBr₂和COF-CsPbIBr₂鈣鈦礦電池器件的長期穩定性；(i) 光穩定性。

該工作得到了國家重點研究發展計劃、國家自然科學基金、廣東省杰出青年基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目、廣州市科技規劃項目和中央高校基本科研專項資金的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c01771