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Nano Energy:温度辅助结晶得到稳定效率14.81%的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其理想的禁带宽度,优异的载流子传输性能等一直备受关注。但由于有机离子的易挥发易分解等问题一直制约着其进一步发展。相比之下,无机钙钛矿材料因其优异的稳定性成为研究者们新的关注热点。不过无机钙钛矿材料往往溶解度较小,制出的薄膜较薄,限制了光的吸收,晶粒较小,晶界多,缺陷多。在该研究中,作者采用对前驱体溶液升温的方法制备无机钙钛矿薄膜可以使薄膜增厚,增强吸收,电流增大,晶粒增大,晶界减少,缺陷较少,增大了填充因子,最终得到的器件VOC高达1.22 V,JSC为15.10 mA/cm2,FF 80.3%,光电转换效率为14.81%。

【成果简介】

近日,陕西师范大学刘生忠教授和靳志文博士(共同通讯作者),硕士生白东良和边慧(共同一作)在 Nano Energy 上发表了一篇名为 “Temperature-Assisted Crystallization for Inorganic CsPbI2Br Perovskite Solar Cells to Attain High Stabilized Efficiency 14.81%” 的文章。在这次研究中,研究者对前驱体溶液升温来调节结晶性和钙钛矿层厚度。研究发现,适当升温前驱体溶液,钙钛矿层变厚,吸光增强,电流增大,晶粒增大,缺陷减少,器件稳定性提高

【图文简介】

Nano Energy:温度辅助结晶得到稳定效率14.81%的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

图1:机理分析。 (a) 钙钛矿旋涂成膜与溶解度、蒸发速率及成核等相关示意图;(b) 不同温度下的成膜示意图

Nano Energy:温度辅助结晶得到稳定效率14.81%的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

图2:不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜形貌及截面表征图。 (a-f):不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜形貌表征图;(g-l): 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜截面表征图;(m-r):不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸直方图

Nano Energy:温度辅助结晶得到稳定效率14.81%的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

图3:不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜性能。(a) 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸;(b) 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜厚度;(c) 不同温度下前驱体溶液的溶解度;(d) 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜的VB XPS谱;(e) 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜的XPS谱;(f) 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜中各原子比例;(g) 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜XRD;(h) 不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜(100)晶面和(200)晶面峰强比。

Nano Energy:温度辅助结晶得到稳定效率14.81%的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

图4:不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿薄膜光电性能。 (a) 对比器件的吸收;(b) 对比器件的荧光强度;(c) 对比器件的荧光寿命;(d) 对比器件的J-V曲线;(e) 对比器件的EQE曲线;(f) 对比器件的效率统计分布

Nano Energy:温度辅助结晶得到稳定效率14.81%的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

图5:器件结构图和最佳器件的性能。(a) 器件结构示意图;(b) 最佳器件的正反扫;(c) 最佳器件的EQE;(d) 器件的工作稳定性;(e) 低湿度条件下的器件稳定性

Nano Energy:温度辅助结晶得到稳定效率14.81%的全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

表1:不同温度前驱体溶液制备的钙钛矿器件性能

 

【小结】

研究表明,用适宜的温度加热前驱体溶液制备钙钛矿薄膜可以使钙钛矿薄膜增厚,增强吸收,电流增大,晶粒增大,晶界减少,缺陷较少,得到14.81%的高效率,同时器件表现出优异的稳定性。

 

Dongliang Bai, Hui Bian, Zhiwen Jin, Haoran Wang, LinaMeng, Qian Wang, Shengzhong(Frank) Liu, Temperature-assisted crystallization for inorganic CsPbI2Br perovskite solar cells to attain high stabilized efficiency 14.81%, Nano energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.08.012

 

【团队介绍】

陕西师范大学刘生忠教授和靳志文博士领导的团队是国内外较早从事无机钙钛矿太阳电池研究的团队之一,并取得了系列国际领先的研究成果。前期工作中,该团队主要研究无机钙钛矿的基本光电特性,并通过无机钙钛矿量子点调制太阳光或修饰界面来提高有机-无机钙钛矿器件的稳定性(ACS Energy Lett., 2017, 2,1479-1486; Adv. Energy Mater., 2018, 8,1701757; Adv. Sci., 2018, 1800474)。在无机钙钛矿量子点太阳能电池方向,通过微米尺寸的石墨烯修饰制备的无机CsPbI3量子点的太阳能电池,获得11.40%的效率和优异的稳定性(ACS Appl. Mater. Interfaces., 2018, 10, 7145-7154; Adv. Energy Mater., 2018, 1800007)。在无机钙钛矿薄膜太阳能电池方面,均先后几次报道了领域最高效率(Adv. Energy Mater., 2018, 1703246; ACS EnergyLett., 2018, 3, 970-978; Joule,2018, DOI: org/10.1016/j.joule.2018.04.012)。

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