Nano lett.：銀摻雜的有機-無機雜化鈣鈦礦二維異質結薄膜太陽能電池

【引言】

基于有機-無機雜化鈣鈦礦活性材料的太陽能電池具有的化學通式為AMX₃，A代表Cs, CH₃NH₃ (MA),或者HC(NH₂)₂ (FA), M代表Pb 或者 Sn, X 代表鹵素Cl, Br, I。傳統質子型有機-無機鈣鈦礦MAPbI₃具有四方結構和1.4 eV- 1.6 eV的能帶寬度，其中通過元素取代MA,Pb或者I位置的元素能夠合成一類的鈣鈦礦結構。Ab initio計算法表明，鈣鈦礦的電子結構主要取決于Pb，I外層軌道電子，有機官能團MA在其中并不發揮作用。因此Pb和I位置的元素取代能夠調控材料的光吸收效率，能帶寬度以及載流子擴散長度。最近，Mojtaba Abdi-Jalebi等人報道了在細觀鈣鈦礦結構中的銀摻雜，材料的能量轉換效率（PCE）并不高，銀離子在其中的角色與Cl類似，僅僅起到優化氧化鈦骨架表面覆蓋，降低取代光吸收能帶寬度，但其確切機理尚且不明。

【成果簡介】

中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所的陳立桅團隊研究了在有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜異質結光伏裝置里Pb位置用Ag取代的效果。Ag取代之后不僅幾乎對晶體結構沒有破壞，而且顯著地優化了薄膜表面和結晶度。摻雜后的MAPbI₃類型材料的能量轉換效率從16.0%提升到18.4%，MAPbI_3-xCl_x的效率從11.2%提升到15.4%。

【圖文導讀】

圖1 MAPbI₃在Ag摻雜含量從0%到5.0%變化時對應的XRD譜圖

銀摻雜是根據Ag/（Pb+Ag）的摩爾比決定。薄膜表現為四角形結構，最大衍射峰強的樣品中Ag含量為2.5%。

圖2 銀摻雜的MAPbI₃的表面電子圖像

樣品中的銀摻雜量分別為0%（a）,0.5%（b），1.0%（c），2,5%（d），5.0%（e）。標尺長度為1.0um，薄膜的厚度大約為300 nm。

圖3 X射線吸收的精細結構和擬合圖像。

1. X射線吸收的精細結構，MAPbI_3-x樣品里Pb的L邊緣圖像（b）和Ag的K邊緣（c），在b-c的圖像中，黑色圖線表示的是實驗數據，紅色圖線是擬合數據。符號N和R分別表示的是配位數（碘離子的數量）和價鍵長度。

圖4 材料的紫外吸收光譜和標準化穩態發光光譜

（a）Ag摻雜的MAPbI₃在玻璃基底上的吸收光譜（坐標軸左側）和標準穩態光致發光譜圖（坐標軸右側）。（b）Ag摻雜的MAPbI₃時間分辨的光致發光光譜。

圖5材料的能級和電化學分析

紫外光電子能譜（UPS）（a）以及Ag摻雜的MAPbI₃的能級譜圖（b）。（c）Ag摻雜的MAPbI₃CV組裝成ITO/NiOx/鈣鈦礦/富勒烯衍生物/Ag結構之后所測CV的Mott-Schottky分析（紫色實線）。

圖6 材料的光能轉換測試

（a）Ag摻雜的MAPbI₃組裝成ITO/NiOx/鈣鈦礦/富勒烯衍生物/Ag器件，在1.5G的光照強度下，以0.1V/s的掃速測得的J-V曲線。實心符號是實驗數據，實線部分是擬合曲線。（b）對應的外觀量子效率曲線。

【小結】

團隊展現了一種Ag摻雜的有機-無機雜化平面鈣鈦礦薄膜結構太陽能電池，通過將Pb²⁺部分用Ag⁺取代，對薄膜的形貌，結晶度和載流子動力學進行了優化，調節了材料的費米能級，最終實現了能量轉換效率的提高，對MAPbI₃類型材料，能量效率從16.0%提升至18.4%，對MAPbI_3-xCl_x能量效率從11.2%提升至15.4%。

原文鏈接：Ag-Incorporated Organic-Inorganic Perovskite Films and Planar Heterojunction Solar Cells （Nano lett.，2017，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00847 ）?

本文由材料人新能源學術組東海木子供稿，材料牛整理編輯。

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