Science：銣離子摻雜提高鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能

【引言】

鈣鈦礦太陽能電池的認證效率目前已經達到了22.1%。鈣鈦礦的化學式為ABX₃，高效率的鈣鈦礦材料都是MA/FA（A）、Pb（B）和鹵族元素(X)的化合物。通過摻雜以構造更復雜的陽離子化合物是提高鈣鈦礦性能的重要手段，而摻入其他陽離子最主要的目的就是提高鈣鈦礦的穩定性。但是，大多數的一價陽離子都不滿足鈣鈦礦容差因子t的公式：t=r_A+r_I /(r_Pb+r_I)，容差因子的值需在0.8到1.0之間，但是大多數元素的陽離子的值都小于0.8。如Rb元素，雖然可以提高鈣鈦礦的氧化穩定性，但是其容差因子小于0.8，故一直沒有被用于鈣鈦礦。

【成果簡介】

最近，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel課題組將Rb離子嵌入鈣鈦礦中形成多陽離子鈣鈦礦材料RbCsMAFA（Rb含量為5%），電池效率高達21.6%，開路電壓為1.24V，帶隙1.63電子伏特，兩者之差為0.39V，與商業硅電池僅相差0.01V。Rb離子的摻入使鈣鈦礦穩定地保持了具有光活性的黑色相，在85℃下長達500小時的太陽光照射后仍然保持有最初性能的95%。

【圖文簡介】

圖1：容差因子和不同溫度下的鈣鈦礦形貌

(A)各元素的容差因子，大于0.8（虛線以上）具有光活性的黑色相，Rb非常接近0.8；

(B)CsPbI₃和RbPbI₃加熱到不同溫度時的表面形貌，460℃兩者開始融化，RbPbI₃始終沒有出現黑色相。

圖2：退火前和退火后的薄膜表征

(A) 虛線是紫外光波段的吸收，實線是光致發光的強度峰，黑色線是退火前的MAFA薄膜，紅色線是退火前的RbCsMAFA薄膜，其中的插圖是兩種薄膜的熒光顯微形貌；

(B) 退火前的MAFA薄膜和RbCsMAFA薄膜的XRD圖像；

(C) 退火后的MAFA薄膜和RbCsMAFA薄膜的紫外吸收圖像和光致發光的強度峰；

(D) 退火前的MAFA薄膜和RbCsMAFA薄膜的XRD圖像。

圖3：電池效率、開路電壓、光亮度和高溫穩定性

(A)21.8%最高電池效率時測得的J-V曲線圖；

(B)1.24V最高開路電壓時測得的J-V曲線圖；

(C)外量子效率和電致發光強度關于電壓的函數。左邊的插圖是電致發光的光譜圖，右邊的插圖是具有兩個活性位點的太陽能電池；

(D) 電池的熱穩定性測試。在85℃下長達500小時的光照射過程中的電池效率的跟蹤測量。

【小結】

研究者通過將Rb⁺離子引入鈣鈦礦材料中，探討了不同的摻雜陽離子組合，成功地利用Rb⁺離子提高了鈣鈦礦的氧化穩定性，為鈣鈦礦的摻雜工藝提供了更多的可能。

原文鏈接：Incorporation of rubidium cations into perovskite solar cells improves photovoltaic performance, （Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah5557）

本文由材料人編輯部新能源學術組 林振炫 供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。