上海交大赵一新团队Science Advances: 双阳离子二维组分稳定a-CsPbI3钙钛矿相制备高效钙钛矿太阳能电池

【引言】

在过去的几年里，对于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究取得了巨大的成就，大量研究都取得了20%左右的电池效率，制备方法也朝着低成本大面积不断发展，距离商业化日益接近。基于混合有机阳离子的电池效率甚至突破22.1%，但是有机-无机杂化钙钛矿的稳定性仍然存在问题，即使目前也出现了一些提高稳定性的方法。而全无机的钙钛矿能够很好的避免因钙钛矿成分的分解而降低电池的稳定性。在全无机的钙钛矿家族里，最常见的是CsPbX₃（X=Cl，Br，I），其中全无机的铯铅碘无机钙钛矿材料较高的热稳定和匹配的带隙使其成为叠层电池的理想选择，但铯铅碘钙钛矿在常温下通常结晶为光电性能较差的非钙钛矿相，其钙钛矿相的转换温度往往在350°C以上，同时该晶相在常温下的相稳定性较差，在室温下会转换成非钙钛矿相，从而导致其光电性能的急剧恶化。上述缺陷极大限制了其应用，成为该领域的重要难题。因此探寻一种稳定a-CsPbI₃钙钛矿相的方法就尤为重要。

【成果简介】

近日，来自上海交通大学的赵一新特别研究员（通讯作者）团队在Science Advances报道了首先采用碘化铅与氢碘酸的配体PbI₂.xHI来代替传统的PbI₂使得其钙钛矿相转换温度降低到100°C，极大降低了操作温度窗口。同时，通过创造性的引入乙二胺铅碘这一基于双胺阳离子二维钙钛矿组分构筑二维-三维混合钙钛矿，从而调整全无机铯铅碘钙钛矿的晶粒大小，稳定其钙钛矿晶相，并实现了良好的电子传输，最终成功获得11.8%转化效率的高效率全无机钙钛矿太阳能电池。这是目前溶液法制备铯铅碘钙钛矿太阳能电池的最高效率。特别是该方法制备的钙钛矿薄膜的相稳定性得到极大提升，在室温下钙钛矿相可以稳定数月，并且在100°C下也可以稳定保持该钙钛矿相。相比之下，常规方法制备的铯铅碘钙钛矿相在100°C下仅能稳定数分钟。进一步的机理研究表面，双胺类二维钙钛矿的结晶取向是影响其稳定性的重要因素，该工作也是基于二胺类二维钙钛矿晶体生长曲线对构筑的复合维度钙钛矿的稳定性影响的首次报道。基于此种方法制备的a-CsPbI₃的电池效率具有11.8%的高度重复性。因此，采用双阳离子EDA稳定a-CsPbI₃相为设计和制备高效可靠的全无机钙钛矿太阳能电池提供了一条重要的策略。

【图文导读】

图1、CsPbI₃薄膜的光谱、结构表征以及电池性能、稳定性测试

通过PbI₂ + CsI 和 PbI₂·xHI + CsI制备的CsPbI₃薄膜（A）紫外可见吸收光谱（B）XRD图谱；

（C）基于a-CsPbI₃钙钛矿太阳能电池的I-V曲线

（D）通过PbI₂·xHI + CsI制备的CsPbI₃薄膜退火前后的XRD和薄膜颜色变化

图2、EDAPbI₄ 和CsPbI₃·xEDAPbI₄ 薄膜的结构表征和光谱研究

EDAPbI₄薄膜：

（A）XRD图谱（B）紫外可见吸收光谱；

CsPbI₃·xEDAPbI₄(x =0 to 0.05)钙钛矿：

（c）XRD图谱（d）紫外可见吸收光谱

图3、CsPbI₃·xEDAPbI₄形貌随EDAPbI₄量的变化

由CsPbI₃·xEDAPbI₄前驱体(x = 0, 0.0125, 0.025, 和 0.05)获得的钙钛矿薄膜的

（A）AFM图

（B）SEM图

图4、CsPbI₃·xEDAPbI₄的器件表征

（A）CsPbI₃·xEDAPbI₄钙钛矿太阳能电池的I-V特征曲线

（B）CsPbI₃·0.025EDAPbI₄钙钛矿太阳能电池的稳定输出

（C）基于CsPbI₃·0.025EDAPbI₄钙钛矿的IPCE

（D）32个CsPbI₃·0.025EDAPbI₄钙钛矿太阳能电池的效率分布。

图5、基于CsPbI₃·0.025EDAPbI₄器件和薄膜的稳定性测试

（A）最佳CsPbI₃·0.025EDAPbI₄电池效率随时间变化

（B）CsPbI₃·0.025EDAPbI₄薄膜在干空气中100^oC下保持一周的XRD和颜色变化

【小结】

本项工作提出了采用EDAPbI₄二维钙钛矿组分稳定a-CsPbI₃，通过简单的一步法获得了高效的全无机钙钛矿太阳能电池。对全无机钙钛矿太阳能电池的研究具有重要的借鉴意义。

原文链接：Bication lead iodide 2D perovskite component to stabilize inorganic a-CsPbI₃ perovskite phase for high-efficiency solar cells （Sci. Adv. 2017，e1700841）

【团队介绍】

赵一新，上海交通大学特别研究员，中组部“青年千人”。分别于2002年和2005年于上海交通大学获得学士硕士学位，2010年毕业于美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University）获得化学博士学位。随后分别在美国宾州大学和美国国家可再生能源实验室从事博士后研究。研究兴趣主要是绿色能源和环境功能材料，其中在钙钛矿太阳能电池领域做出大量基础性的研究。在Chem. Rev.,Chem. Soc. Rev., PNAS, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊发表80余篇论文。被正面引用3700多次,H-index 33,2016年有15篇论文入选ESI高被引/热点论文（1%），担任Nature系列期刊和JACS等期刊的审稿人

张太阳，于2014年加入赵一新老师课题组攻读博士学位，主要从事有机无机杂化钙钛矿太阳能电池研究。博士期间在Science Advances，Nature Communication, Advance Functional Material 等期刊发表十余篇论文。

本文由材料人电子电工学术组lyh_wv供稿，材料牛整理编辑。

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