JACS：用氟代甲脒-碘化錫與銨-碘化鉛結合制備高效低帶隙的鈣鈦礦太陽能電池

【引語】

有機–無機鉛（Pb）鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）由于其低溫處理過程和高能量轉換效率（PCEs）而成為一種很有前途的低成本光伏技術。PCE在過去的幾年中已經顯著提高，當前記錄為22.1%。推動單結太陽能電池PCEs超越Shockley–Queisser限制最有前途的方法是制備基于鈣鈦礦的串聯太陽能電池。銨（MA）和氟代甲脒（FA）鉛鹵化物鈣鈦礦由于其帶隙可調的性質令人印象深刻。通過調節不同的溴（Br）：碘（I）比，鉛鈣鈦礦混合鹵化物的帶隙范圍為1.58-2.2 eV，適用于串聯太陽能電池的頂部電池。通過調節錫：鉛的比例，混合錫、鉛的鈣鈦礦帶隙能從1.17 eV變化到1.55 eV，適用于串聯電池的底部電池。因此，目前用低溫溶液過程處理鹵化物鈣鈦礦用于制造超高效低成本的多晶硅串聯電池是一個非比尋常的機遇。到目前為止，已報告的大多數鈣鈦礦型串聯太陽能電池使用的寬帶隙的鈣鈦礦型電池為頂電池和窄帶隙非鈣鈦礦太陽能電池作為底層電池，包括硅（Si）、銅銦鎵硒（CIGS）和聚合物基太陽能電池。而在這之中對于制作鈣鈦礦-鈣鈦礦串聯電池的研究較少。這些嘗試中，用于底層電池的鈣鈦礦型吸收層沒有窄帶隙，這從根本上限制了串聯太陽能電池的性能。制備高效全鈣鈦礦串聯太陽能電池不足主要是由于制造高效窄帶隙PVSCs在很大程度上的滯后。相比之下，高效的寬帶隙PVSCs發展得卻很好。然而，這并不是串聯電池應用的理想選擇。

【主要內容】

近日，美國托萊多大學的Yanfa Yan、Dewei Zhao和東南大學的熊仁根教授聯合在J. Am. Chem. Soc上發文，題為“Fabrication of Efficient Low-Bandgap Perovskite Solar Cells by Combining Formamidinium Tin Iodide with Methylammonium Lead Iodide”。 本文提出了用氟代甲脒-碘化錫與銨-碘化鉛結合制備高效低帶隙的鈣鈦礦太陽能電池。

研究人員提出使用的前體結合氟代甲脒碘化錫（FASnI₃）和銨碘化鉛（MAPbI₃）制作高效混合錫-鉛鈣鈦礦太陽能電池。通過正（逆）電壓掃描得到，其中性能最佳的電池使用（FASnI₃）_0.6（MAPbI₃）_0.4吸收層與～1.2 eV的吸收邊實現功率轉換效率（PCE）15.08（15.00）%和0.795（0.799）V的開路電壓、短路電流密度為26.86（26.82）mA/cm²，以及填充因子為70.6（70）%。且50個電池的平均PCE達到14.39±0.33%，說明重復性較好。

【圖文導讀】

圖一： (FASnI₃)_1?x(MAPbI₃)_x的合成

（a）(FASnI₃)_1?x(MAPbI₃)_x前驅體的合成示意圖。

（b，c，d）(FASnI₃)_1?x(MAPbI₃)_x鈣鈦礦薄膜（x = 0.0、1.0、0.4）的SEM圖像。

圖二： (FASnI₃)_1?x(MAPbI₃)_x的表征

(FASnI₃)_1?x(MAPbI₃)_x（x = 0.0、0.2、0.4、0.6、0.9和1.0）鈣鈦礦的（a）XRD圖譜；（b）吸收譜；(c) 歸一化光致發光光譜。

圖三： (FASnI₃)_1?x(MAPbI₃)_x的表征

（a）(FASnI₃)_1–x(MAPbI₃)_x（x = 0、0.4、1）的時間分辨光致發光（TRPL）衰減。

（b）整個裝置的斷面掃描電鏡圖像，其中(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4作為吸收層。

圖四： 電池性能檢測

（a）在100 mW/cm²?AM1.5G光照，反向和正向電壓掃描下測得的電池J-V曲線；

（b）外量子效率和完整的J_sc；

（c）在0.648 V恒定的偏置下穩態光電流和PCE，性能最好的窄帶隙太陽能電池使用(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4作為吸收層；

（d）測定使用(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4作為吸收層的50個電池的PCEs直方圖。

【總結】

研究人員開發了將FASnI₃前驅體與MAPbI₃前驅體相結合成一種新型前體。運用這個新的前體沉積高質量的窄帶隙混合錫-鉛鈣鈦礦薄膜，從而制備高效窄帶隙混合錫-鉛鈣鈦礦太陽能電池。其中性能最好的電池吸收層的帶隙～1.2 eV，其PCE超15%。窄帶隙、高效率、高重復性的達成是實現高效率的全鈣鈦礦結構的串聯太陽能電池的重要一步。

文獻鏈接：Fabrication of Efficient Low-Bandgap Perovskite Solar Cells by Combining Formamidinium Tin Iodide with Methylammonium Lead Iodide（J. Am. Chem. Soc.，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b08337）

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