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无机钙钛矿衍生相界面修饰实现高效稳定无空穴层CsPbBr3电池

引言】

以MAPbI为代表的新型钙钛矿太阳能电池凭借着其高效率光电转换,制备工艺简单,在光电能源领域掀起了一阵研究热潮。但是这种有机杂化钙钛矿电池对水汽十分敏感,在高湿度的环境下容易分解,导致电池的稳定性差。同时电池结构中使用的有机空穴传输层Spiro-OMeTAD,不仅价格昂贵,而且耐热性差,这将大大限制其在商业化的应用。如何提高钙钛矿的稳定性和降低成本,将是钙钛矿太阳能电池走向商业化面临的巨大挑战。随着研究的不断深入,研究人员发现,用无机Cs离子替代有机材料,构建纯无机钙钛矿,并且其发现其在紫外-可见光范围内具有良好的光捕获能力,同时具有优异的电荷迁移率。不仅如此,无机钙钛矿在高温及高湿度的环境下依旧能够保持稳定的晶体结构。此外,其合成制备工艺相对简单,对生长环境要求低,并且可以应用在大面积的涂布工艺中。良好的性能和快随发展,使得无机钙钛矿材料得到了越来越多的关注。但是,相比与有机钙钛矿电池而言,无机钙钛矿电池的光电转换效率相对较低,并且界面复合现象较为严重。因此,降低界面复合,提高光电转换效率,将是无机钙钛矿电池面临的首要问题。

 

【 成果简介

近日,肥工业大学微纳功能材料与粉末冶金实验室蒋阳教授和童国庆博士(共同通讯作者)基于前期采用无机钙钛矿对有机钙钛矿电池进行表面修饰(Nano Energy, 2018, 48, 536)和气相生长无机钙钛矿衍生相 (Small, 2018, 14,1702523 , J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9,1592 ) 的工作基础上,创造性提出采用无机钙钛矿衍生相原位界面修饰CsPbBr3薄膜,制备出高效率无空穴层CsPbBr3钙钛矿太阳能电池。以“Interface Engineering using a Perovskite Derivative Phase for Efficient and Stable CsPbBr3-Solar Cells”为题发表在国际期刊Journal of Materials Chemistry A 上,共同第一作者为硕士生李欢和童国庆博士。文中,研究人员采用气相沉积工艺,通过调节前驱材料CsBr和PbBr2的比例,制备出具有衍生相复合的无机钙钛矿活性层,并采用刮涂碳浆工艺,构建出无空穴传输层CsPbBr3电池。通过研究分析,发现纯的CsPbBr3由于在界面出没有电子阻挡层的存在,容易在吸收层和碳电极之间发生部分复合。而具有衍生相的无机钙钛矿(CsPbBr3-CsPb2Br5)电池,其界面处存在少量CsPb2Br5衍生相,在降低界面缺陷的同时可有效的阻挡电子转移到碳电极上,减少电荷复合。基于上述设计,所制备的无空穴层电池效率高达8.34%。此外,电池展现出良好的稳定性,在空气中存放1000h后,依旧保持90%

 

【图文解析】

     无机钙钛矿衍生相界面修饰实现高效稳定无空穴层CsPbBr3电池

图1不同比例CsBr/PbBr2的钙钛矿吸收层(a)XRD衍射图;(b)吸收图谱;(c) CsPbBr3-CsPb2Br5XRD衍射图; (d) CsPbBr3和CsPb2Br5晶体结构图;(e)气相沉积示意图。

无机钙钛矿衍生相界面修饰实现高效稳定无空穴层CsPbBr3电池

图2 (a)-(e) 不同比例CsBr/PbBr2的钙钛矿吸收层SEM形貌图; (f)器件SEM截面图。

无机钙钛矿衍生相界面修饰实现高效稳定无空穴层CsPbBr3电池

图3 (a) 器件结构示意图; (b) 能带结构图;(c)不同比例CsBr/PbBr2的钙钛矿电池J-V曲线; (d) 正反扫J-V曲线;(e) EQE及积分电流;(f)柱状图。

无机钙钛矿衍生相界面修饰实现高效稳定无空穴层CsPbBr3电池

图4 (a)和(b) 器件的能带结构示意图;(c) 时间分辨荧光(TRPL)衰减曲线;(e) 器件稳定性。

 

【结果与展望

研究人员创造性的提出采用气相沉积工艺制备具有复相结构的无机钙钛矿薄膜。相比于传统的溶液法而言,气相沉积具有连续可控、非溶剂加工等特点,同时可以通过调控薄膜厚度实现纯相和衍生相的可控生长,这为钙钛矿薄膜的制备提供了新的思路。基于该研究思路,研究人员构建出具有衍生相界面修饰的纯无机钙钛矿电池,有效的降低了电荷在界面处的复合,进而大大提高光生载流子的传输效率,获得了转换效率高达8.34%的纯无机CsPbBr3太阳能电池。

 

HuanLi, Guoqing Tong*, Taotao Chen, Hanwen Zhu, Guopeng Li,Yajing Chang, Li Wang, and Yang Jiang*; Interface Engineering using a Perovskite Derivative Phasefor Efficient and Stable CsPbBr3 Solar Cells. J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/c8ta03811b.

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