陕师大刘生忠教授课题组Adv. Energy Mater. : 稳定高效的无机CsPbBrI2钙钛矿电池

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿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带隙都较大，吸光范围窄，这在本质上限制了其光电转换效率。同时，在传统的钙钛矿电池结构中，由于电子传输层氧化钛的重掺杂效应致使器件中的PN结靠近于钙钛矿与电子传输层界面，会使得空穴在传输过程中复合严重。在该研究中，作者采用一种3D-2D-0D的尺寸渐变异质结对钙钛矿和空穴传输层之间进行修饰，极大的提升了空穴迁移率，最终得到的器件V_OC 高达1.19 V，J_SC 为12.93 mA/cm²，FF 80.5%，光电转换效率为12.39%。这是目前已知的基于CsPbBrI₂钙钛矿电池的最高效率。

【成果简介】

近日，陕西师范大学陕西师范大学刘生忠教授和靳志文博士(共同通讯作者)，硕士生张静茹和白东良（共同一作）在Adv. Energy. Mater. 上发表了一篇名为 “3D-2D-0D Interface Profiling for Record Efficiency All-Inorganic CsPbBrI₂ Perovskite Solar Cells with superior Stability” 的文章。在这次研究中，研究者使用了渐变维度尺寸异质结来进行调控界面调控。研究发现，这种尺寸渐变修饰层能够有效的调配器件功函，增大内建电场，提升空穴传输速率。同时，低维度材料修饰的钙钛矿薄膜疏水性明显增大，器件稳定性有一定的提高。

【图文简介】

图1：器件结构图与能带图

(a).渐变尺寸材料修饰的钙钛矿太阳能电池结构图；

(b).钙钛矿太阳能电池能带图；

(c).光照下能带弯曲机理图。

图2: 掺杂不同维度材料修饰的钙钛矿薄膜形貌表征图

(a)&(c): CsPbBrI₂ 2D和0D材料TEM图；

(b)&(d): CsPbBrI₂ 2D和0D材料晶格衍射花纹；

(e-h): CsPbBrI₂ 薄膜；CsPbBrI₂ / CsPbBrI₂ 2D薄膜；CsPbBrI₂ / CsPbBrI₂ 0D薄膜；CsPbBrI₂ / CsPbBrI₂ 2D/ CsPbBrI₂ 0D薄膜。

图3：不同维度的钙钛矿薄膜的性能表征图

(a). 3D, 2D, 和 0D CsPbBrI2薄膜的吸收和PL图谱；

(b).不同维度CsPbBrI₂复合薄膜的吸收图谱；

(c). 不同维度CsPbBrI₂复合薄膜的PL图谱；

(d). 不同维度CsPbBrI₂复合薄膜的时间分辨荧光图谱（载流子寿命）；

(e). 不同维度CsPbBrI₂复合薄膜的载流子寿命mapping；

图4：不同维度的钙钛矿薄膜的性能表征图

(a). 不同维度CsPbBrI₂的钙钛矿薄膜的XPS谱；

(b). 不同维度CsPbBrI₂的钙钛矿薄膜的VB-XPS谱；

(c). 不同维度CsPbBrI₂的钙钛矿薄膜的VB-UPS谱；

(d). 不同维度CsPbBrI₂的钙钛矿薄膜的UPS谱；

(e). 不同维度CsPbBrI₂的钙钛矿薄膜的E_cut-UPS谱；

图5: 经不同维度材料优化化后的器件性能对比

(a).对比器件的J-V曲线；

(b).对比器件的EQE曲线；

(c).莫特-肖特基拟合的C-V曲线；

(d)对比器件的PCE统计分布。

图6：经渐变尺寸异质结修饰的器件正反扫对比与稳定性测试

(a).3D-2D-0D尺寸渐变异质结器件正反扫J-V曲线；

(b). 3D-2D-0D尺寸渐变异质结器件I-t曲线和PCE-t曲线；

(c). 3D-2D-0D尺寸渐变异质结器件稳定性测试；

(d).无机钙钛矿电池器件PCE分布图。

【小结】

研究表明，经3D-2D-0D尺寸渐变异质结修饰可以有效提高器件的性能。渐变维度材料能够有效增大体系内建电场，提升空穴传输速率，使太阳能电池效率提高到12.39%。

文献链接：3D-2D-0D Interface Profiling for Record Efficiency All-Inorganic CsPbBrI2 Perovskite Solar Cells with Superior Stability (Adv. Energy. Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703246)

团队介绍：

刘生忠教授领导的团队是国内外较早从事钙钛矿太阳电池研究的团队之一。团队研发了钙钛矿单晶生长新方法，成功制备了超大尺寸钙钛矿单晶，各方面指标均领先领域先进水平【Y. Liu, Z. Yang, D. Cui, X. Ren, J. Sun, X. Liu, J. Zhang, Q. Wei, H. Fan, F. Yu, X. Zhang, C. Zhao, S. F. Liu, Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183；Y. Liu, X. Ren, J. Zhang, Z. Yang, D. Yang, F. Yu, J. Sun, C. Zhao, Z. Yao, B. Wang, Q. Wei, F. Xiao, H. Fan, H. Deng, L. Deng, S.(Frank) Liu, SCIENCE CHINA Chemistry 2017, 10.1007/s11426-017-9081-3.】。在平面型钙钛矿电池和柔性钙钛矿电池方面，均先后几次报道了领域最高效率【D. Yang, R. Yang, X. Ren, X. Zhu, Z. Yang, C. Li, S. F. Liu, Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; D. Yang, R. Yang, J. Zhang, Z. Yang, S. Liu, C. Li, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214.】。特别是采用独特的界面修饰方法和双源共蒸法，平面异质结电池效率超过了20%；发展了优质的TiO2和Nb₂O₅电子传输层的低温沉积工艺，制备的柔性钙钛矿电池效率达到18.32%。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

以上资料来自陕西师范大学刘生忠教授课题组，特此感谢！

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