Adv. Energy Mater.: 铯和铷添加剂在钙钛矿太阳能电池中的作用

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池作为一项有前景的技术已经受到广泛关注。最近，无机阳离子，如铷（铷）和铯（Cs）已被添加到钙钛矿层中，从而使钙钛矿电池的功率转换效率（PCE）高达21.6%。无机阳离子添加剂已被证明能提高FAPbI₃的稳定性。为了达到最高效率和高稳定性，研究人员已经进行了广泛的器件优化工作，其中重点关注了钙钛矿层的制备。在不同的钙钛矿制备工艺条件下，研究人员探索并优化了一价阳离子（FA、MA、Cs、Rb）和卤化物（I和Br）的各种组合和配比。然而，包含Cs、Rb的钙钛矿太阳电池的性能提高的根本原因还没有讨论清楚。为了开发具有最高性能和稳定性的钙钛矿型太阳能电池，必须要了解无机阳离子添加剂对钙钛矿光电性能的影响。

【成果简介】

近日，纽卡斯尔大学的Pablo Docampo、慕尼黑大学的Michiel L. Petrus、代尔夫特理工大学的Tom J. Savenije和德国巴伐利亚应用能源研究中心的Andreas Baumann（共同通讯作者）在Adv. Energy Mater.上发表最新研究成果“Understanding the Role of Cesium and Rubidium Additives in Perovskite Solar Cells: Trap States, Charge Transport, and Recombination”。在该文中，研究者利用飞行时间、时间分辨微波电导率和热刺激电流测量，阐明无机阳离子添加剂对钙钛矿太阳电池缺陷和电荷输运性质的影响。研究表明：铯的掺入可以降低钙钛矿层的缺陷密度和电荷复合率。铷的添加导致电荷载流子迁移率增加，使器件效率小幅的提高和电流-电压滞后效应的降低。通过在四阳离子钙钛矿中混合铯和铷，可以实现整合无机阳离子的优势。

【图文导读】

图1 钙钛矿太阳电池的性能分析

（a）钙钛矿太阳电池器件结构示意图

（b）钙钛矿太阳能电池在最大功率点处功率转化效率随时间的变化

（c-f）钙钛矿太阳电池光伏参数统计图

图2 钙钛矿宏观电荷载流子输运

（a）在正偏压下，提取的运输时间随电极距离的变化

（b）在负偏压下，提取的运输时间随电极距离的变化

图3微观电荷载流子输运

（a）FAMA的时间分辨微波电导图

（b）Cs5的时间分辨微波电导图

（c）Rb5的时间分辨微波电导图

（d）Rb5Cs5的时间分辨微波电导图

图4 缺陷谱分析

（a）FAMA, Cs5, Rb5和Rb5Cs5的缺陷谱分析

（b）相关温度区缺陷谱的阿伦尼乌斯图

图5 无机阳离子添加剂在太阳电池中的作用示意图

【小结】

在这项工作中，研究者探讨了Cs和Rb的加入对混合钙钛矿太阳电池的载流子迁移率、复合速率和捕获态的影响。Rb的加入导致电荷载流子迁移率的增加，但对钙钛矿层缺陷的影响不大。然而，Cs掺入显著降低了钙钛矿晶体缺陷态的数目和深度。通过将二者结合，研究人员观察到最高的光生电荷的移动性和最低的缺陷密度，这使太阳能电池具有最高的稳定输出功率。因此，多阳离子钙钛矿太阳能电池效率的瓶颈主要是缺陷态的数量和性质而不是钙钛矿层的载流子迁移率。

文献链接： Understanding the Role of Cesium and Rubidium Additives in Perovskite Solar Cells: Trap States, Charge Transport, and Recombination（Adv. Energy Mater.，2018，10.1002/aenm.201703057）

本文由材料人编辑部新能源小组马永超编译整理，点我加入材料人编辑部。

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