Adv. Mater.：全真空沉積化學計量平衡無機銫鉛鹵化物鈣鈦礦型太陽能電池穩定效率超過 11%

yuyuyu 7年前 (2017-02-13) 3879瀏覽

【引言】

由于能源的日益緊缺，人們長期以來一直致力于太陽能電池的研究，太陽能光伏發電因其清潔、安全、便利、高效等特點，已成為被普遍關注和重點發展的新興產業。其中鈣鈦礦型太陽能電池以其高效、導電性能優異等特點備受矚目。鈣鈦礦型太陽能電池，是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，即是將染料敏化太陽能電池中的染料作了相應的替換，結構為ABX3。

鈣鈦礦太陽能電池的轉化效率一直是大家致力于研究并突破的一個方向。本文面臨的一個主要問題是在無機銫鹵化鉛鈣鈦礦型太陽能電池中，如何精確的控制鈣鈦礦結構薄膜中銫鹵化物和鉛鹵化物的化學劑量比，還有對堿性鹵代烴吸濕性的考慮。

【成果簡介】

由臺灣省國立清華大學Lin Haowu教授（通訊作者）帶領的研究團隊研究發現，帶隙1.82?eV?的混合鹵化物有助于將裝置的功率轉換效率提升至?11.8%，同樣有助于提高高開路電壓(1.13?V)，滯后小、性能優異的薄膜和設備的穩定性，相關的成果于2017年1月20日發布于ADVANCED MATERIALS雜質上，題目為：All-Vacuum-Deposited Stoichiometrically Balanced?Inorganic Cesium Lead Halide Perovskite Solar Cells with?Stabilized Efficiency Exceeding 11%。為了解決難以監測和控制氣樣行為鹵化物的問題，制造具有良好效率的真空沉積鈣鈦礦型太陽能電池，研究者開發了連續真空沉積和化學氣相沉積方法。通過集成真空升華孔和電子傳輸層，制備了全真空沉積太陽能電池。有化學計量學平衡的前體比率的設備比那些非化學計量摩爾比的設備表現出更優異的性能，。

?[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Lin Haowu的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

?圖一：CsI薄膜的橢偏數據和真空室安裝示意圖

硅襯底上50nm厚的CsI薄膜未曝光和在空氣中曝光3分鐘的橢偏數據。插圖：真空室的安裝示意圖。

圖二：CsPbI3薄膜的吸收光譜和J-V特性


a）不同比率的PbI2 :CsI 在325℃退火一分鐘后CsPbI3薄膜的吸收光譜

b）在AM1.5G 光譜總照度下對應的J–V特性

圖三：CsPbI2Br薄膜顯微鏡圖像、J-V特性、EQE光譜和電流密度及功率轉換效率圖

a）光學顯微鏡圖像

b）CsPbI2Br薄膜260℃退火時不同的時間的掃描電子顯微鏡圖像

（比例尺：a：100μM b：2μM）

c）對應的J–V特性

d）在AM1.5G 光譜總照度下外部量子效率的光譜

e）CsPbI2Br太陽能電池在0.88 V的偏壓下有更好的電流密度和功率轉換效率

圖四：薄膜的二維掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖

a）沉積的薄膜；b）薄膜退火10s和 c）薄膜退火60s的二維掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖

d）GIWAXS的剖面來自方位環（c）的均值。Q x沿平面內方向（平行于膜表面），而Q y則沿平面外方向（垂直于膜表面）

圖五：CsPbI3和CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池對比圖

CsPbI2Br太陽能電池比真空沉積MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池在黑暗中存儲封裝時PCE有更長期的穩定性。CsPbI2Br和MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的PCEs初始值分別為11.8和17.6%。

插圖：CsPbI3（左）和CsPbI2Br（右）鈣鈦礦太陽能電池2周后的對比圖。

【小結】

一種常用的真空沉積技術制備鈣鈦礦薄膜太陽能電池是用銫鹵化物代替有機鹵化物。通過保護薄膜以防止暴露在空氣中進行整個沉積和測量，得到高度精確的銫鹵化物薄膜厚度和校準工具因子。前體化學計量比的精確控制是設備性能的關鍵。通過采用真空沉積?ETLs?和?HTLs，制備了高效全真空沉積銫-基鈣鈦礦型太陽能電池。化學平衡的CsPbI3太陽能電池提供最高9.4%的PCE。在引入Br之后，在高開路電壓1.13 V 、JSC為15.2 mA cm ?2的條件下PCE進一步提高到11.8%。CsPbI2Br裝置也具有穩定的PCE值為11.5%，和J-V掃描效率十分接近。為無機前體用于高效真空沉積鈣鈦礦設備提供了典范。

文獻鏈接：All-Vacuum-Deposited Stoichiometrically Balanced?Inorganic Cesium Lead Halide Perovskite Solar Cells with?Stabilized Efficiency Exceeding 11%（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201605290）

本文由材料人新能源組 yuyuyu 供稿，材料牛編輯整理。

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