Nat. Energy：具有2D-3D異質結構的丁基銨-銫-甲脒鹵化鉛鈣鈦礦太陽能電池

【背景介紹】

鈣鈦礦太陽能電池效率非常高，然而，它們容易在水，氧和紫外線中降解。3D鈣鈦礦吸收劑的陽離子加入導致降解程度降低。另外，2D Ruddlesden-Popper分層的鈣鈦礦表現出改善的穩定性，但迄今尚未應用于高效的太陽能電池。

【成果簡介】

近日，來自牛津大學的Henry J. Snaith（通訊作者）等人將正丁基銨陽離子引入陽離子鉛混合鹵素FA_0.83Cs_0.17Pb(I_yBr_1?y)₃ 3D 鈣鈦礦中，觀察到二維鈣鈦礦的形成，散布在高度取向的三維鈣鈦礦顆粒之間，其抑制非輻射電荷重組。該團隊還研究了薄膜組成，晶體取向和器件性能之間的關系。具有最佳丁基銨含量的太陽能電池對于帶有1.61-eV帶隙鈣鈦礦表現出平均穩定功率轉換效率為17.5±1.3％，對于1.72-eV帶隙鈣鈦礦效率為15.8±0.8％。其穩定性在模擬光照下也得到提高。電池在室溫中持續運行1000小時后，其“后置式”效率達到80％，這一數值在密封環境中接近4000小時。相關成果以題為“Efficient ambient-air-stable solar cells with 2D–3D heterostructured butylammonium-caesium-formamidinium lead halide perovskites”發表在了Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖1?形態和晶相

a-f）不同BA濃度退火后的BA_x（FA_0.83 Cs_0.17）_1-x Pb（I_0.6Br_0.4）₃鈣鈦礦膜的SEM圖像

g-i）x = 0.03,0.09和0.16薄膜的放大SEM圖像

圖2?BA增強的3D鈣鈦礦晶體生長

a）對應具有不同BA濃度的3D鈣鈦礦（200）的XRD擺動曲線

b）反映x = 0.09膜中3D鈣鈦礦相（410）的極坐標圖

c）x = 0.09膜中3D鈣鈦礦相的取向

d）對于兩種不同的BA濃度（x = 0和0.09），鈣鈦礦退火過程（從室溫到175℃）的反射強度作為時間的函數

圖3?2D-3D鈣鈦礦異質結構

a，b）FA_0.83 Cs_0.17?Pb（I_0.6Br_0.4）₃人造色的橫截面SEM圖像

c）自組裝2D-3D鈣鈦礦薄膜結構的示意圖

d）x = 0膜（黑線）和x = 0.09膜（紅線）的紫外-可見吸收和PL光譜

e）相同膜的時間分辨PL光譜

f）2D-3D異質結的擬議電子帶

圖4?BA/FA/Cs鈣鈦礦太陽能電池的器件性能

a）使用寬帶隙（E_g = 1.72eV）的鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線

b）電池的穩定功率輸出（SPO）

c）使用較低帶隙（E_g = 1.61eV）最佳性能的鈣鈦礦太陽能電池的J-V特性

d）電池數作為PCE的函數的直方圖

圖5 器件穩定性

a-j）高性能非封裝（a-e）和封裝（f-j）太陽能電池器件的穩定性比較

【總結】

該成果展示了顯著提高的器件效率和操作穩定性的鈣鈦礦組合物。相信，這將成為鈣鈦礦太陽能電池和光電子器件持續發展的重要方向，也可能為基礎研究提供模型系統。

文獻鏈接：Efficient ambient-air-stable solar cells with 2D–3D heterostructured butylammonium-caesium-formamidinium lead halide perovskites（Nat. Energy,2017,DOI:10.1038/nenergy.2017.135）

本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。

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