陕师大刘生忠教授课题组Appl. Mater. Interfaces. :低温普通环境制备稳定高效的无机CsPbBr3/CsPb2Br5钙钛矿太阳能电池

【引言】

无机Cs-Pb-Br钙钛矿材料在水、光以及热的老化作用下显示了出色的稳定性，因此其在叠层电池及器件商业化进程中展示了巨大的潜力。不幸的是，在低温空气中制备高性能的Cs-Pb-Br基钙钛矿太阳能电池充满了挑战。在该研究中，作者通过一个简单的SCN^-乙酸乙酯溶液处理在室温制备得到的CsPbBr₃ 量子点薄膜，得到了大晶粒尺寸、小界面缺陷的CsPbBr₃-CsPb₂Br₅复合薄膜。 最终得到的无机钙钛矿太阳能电池能量转换效率高达6.81%并且展示了非常优异的稳定性。

【成果简介】

近日，陕西师范大学靳志文博士和刘生忠教授(共同通讯作者)在ACS Appl. Mater. Interfaces. 上发表了一篇名为 “All-Ambient Processed Binary CsPbBr₃/CsPb₂Br₅ Perovskites with Synergistic Enhancement for High Efficiency Cs-Pb-Br Based Solar Cells” 的文章。在这次研究中，研究者利用CsPbBr₃ 量子点薄膜在SCN^-乙酸乙酯溶液环境中存在一个溶解-重结晶的过程制备了致密均匀的CsPbBr₃-CsPb₂Br₅复合薄膜。研究发现，SCN^-吸附于Pb²⁺表面导致Cs⁺与Br^-从量子点表面剥离；同时，乙酸乙酯溶液增强了离子之间的动态扩散与平衡过程。有趣的是，作者进一步发现少量的CsPb₂Br₅能够有效的钝化薄膜的表面缺陷，提高器件光生载流子的寿命。最终，在室温空气环境中制备得到了稳定高效的无机钙钛矿太阳能电池。

【图文简介】

图1：器件结构图与能带图

(a).无机钙钛矿太阳能电池结构图；

(b).无机钙钛矿太阳能电池能带图；

(c). CsPbBr₃-CsPb₂Br₅ 复合薄膜制备过程及转变机理图。

图2: SCN^-乙酸乙酯溶液不同时间处理的钙钛矿薄膜形貌表征图

(a)-(e): AFM图；

(f)-(j): SEM图；

(f)-(j): 器件截面SEM图；

图3：SCN^-乙酸乙酯溶液不同时间处理的钙钛矿薄膜的性能表征图

(a). XPS图谱；

(b). 不同钙钛矿薄膜的Cs, Pb, Br 和 C元素比例；

(c). 不同钙钛矿薄膜的Cs/Pb和 Br/Pb比例；

(d)-(g). 不同钙钛矿薄膜的的XRD测试

图4：不同钙钛矿薄膜的器件性能表征图

(a). J-V曲线；

(b). EQE曲线；

(c). 吸收曲线；

(d). PL曲线；

(e). TRPL曲线；

(f). 缺陷态测试；

图5:优化后的器件性能

(a). J-V曲线；

(b). EQE曲线；

(c). PCE统计分布。

(d). 器件的稳态测试；

(e). 稳定性测试；

(f). 发表文章器件性能的对比图；

【小结】

研究表明，通过SCN^-乙酸乙酯溶液处理，CsPbBr₃ 量子点溶液可以在常温空气中制备致密、均匀、缺陷少的CsPbBr₃-CsPb₂Br₅ 复合薄膜，使太阳能电池效率提高到6.81%。

文献链接：All-Ambient Processed Binary CsPbBr₃/CsPb₂Br₅ Perovskites with Synergistic Enhancement for High Efficiency Cs-Pb-Br Based Solar Cells (ACS Appl. Mater. Interfaces., 2018)

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【Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183; Adv Mater. 2016, 28, 9204-9209; Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1829-1837】。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 【Adv. Mater. 2016, 28, 5206-5213; Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3208-3214; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3071-3078; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701757.】。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%。近期，在无机钙钛矿量子点及太阳能电池方向也取得了一些进展 【ACS Energy Lett. 2017, 2, 1479-1486; Adv. Energy Mater. 2018, 1703246.】。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

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