布朗大学Joule: 基于钛的稳定无铅钙钛矿电池

【引言】

钙钛矿型太阳能电池在最近几年吸引了各方关注，其光电转换效率在短短几年内快速上升。但是在众多高效率钙钛矿型太阳能电池中，稳定性和铅的毒性一直是阻碍钙钛矿市场化商业化应用的两个障碍。目前的一些代替铅基的材料诸如锡基因为其自身稳定性的问题难以得到持续的发展，而其他一些替代材料诸如Cs₂AgBiBr₆和Cs₃Bi₂I₉由于较大的带隙（大于2.0eV）其光电转换效率无法得到保证，所以对于新型稳定的无铅材料的研究迫在眉睫。

【成果简介】

北京时间2018年1月，美国布朗大学的Yuanyuan Zhou教授和Nitin Padture教授（共同通讯作者）在Cell Press旗下的能源领域新旗舰期刊Joule在线发表了“Cesium Titanium(IV) Bromide Thin Films Based Stable Lead-free Perovskite Solar Cells”研究论文，该工作使用四价态钛作为金属阳离子取代二价态铅，该Cs₂TiBr₆型双钙钛矿型结构的材料展示了良好的光电性质。在进一步的平面器件表征中，钛基钙钛矿型太阳能电池展现了超过3%的光电转换效率。布朗大学博士生Min Chen为文章第一作者。

图文导读：

作者首先使用两步蒸镀的方法制备得到质量较高的钛基钙钛矿新材料薄膜，X射线衍射和紫外可见光吸收光谱证明该薄膜相纯以及对光吸收较好。在制备机理中，作者阐明了两步蒸镀中的扩散机制，为之后的薄膜改善提供基础思路。

在随后的光谱表征中，该薄膜显示了良好的荧光特性，同时利用瞬态荧光光谱测得的薄膜荧光寿命结合计算得出在该材料中电子和空穴的扩散距离高于100纳米，该结果显示钛基薄膜可以用来、建立平面太阳能电池。同时基于紫外光电子能谱测得薄膜的导价带，作者提出了TiO2和P3HT作为电子和空穴传输层。

在平面器件表征中，该钛基平面太阳能电池显示了2.15%的光电转换效率。通过添加C60作为过渡层，作者提高该太阳能电池光电效率致3.22%。

在稳定性的研究中，该钛基材料在热稳定性，光稳定性和湿度稳定性都超过了常用的相同带隙的铅基钙钛矿型材料（MaPbI₂Br）。同时未封装的电池效率在14天的稳定性条件（70摄氏度，30%湿度）下依旧显示了超过3%的光电转换效率。

【结论】

作者阐释了高纯相双钙钛矿型Cs₂TiBr₆薄膜的两步蒸镀的机理，该薄膜显示了1.82eV的光学带隙和较强的荧光强度。其光生电子和空穴的传输扩散距离为121nm和103nm，为之后的平面太阳能电池器件建设提供了可能。该钛基太阳能电池的转换效率最高可达3.3%，在两周的循环稳定性条件下依旧保持超过3%的效率，显示了良好的稳定性。该类型的钛基材料为之后的无铅材料的选择提供了有力的理论实验支持。同时值得注意的是通过对于卤族元素的替换，带隙调整后的钛基钙钛矿型电池效率可增长的空间还有很多。关于卤族元素的替换，美国内布拉斯加大学林肯分校的Xiao Cheng Zeng教授和美国布朗大学的Yuanyuan Zhou教授和Nitin Padture教授（共同通讯作者）在ACS Energy Letters上在线发表了“Earth-Abundant Nontoxic Titanium(IV)-based Vacancy-Ordered Double Perovskite Halides with Tunable 1.0 to 1.8 eV Bandgaps for Photovoltaic Applications”的研究论文，并且被选为ACS Editors' Choice。

原文链接：Cesium Titanium(IV) Bromide Thin Films Based Stable Lead-free Perovskite Solar Cells （Joule，2018，DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.01.009 ）

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