陕师大刘生忠教授课题组Joule.:具有稳定效率14.4%分级带隙设计的无机CsPbI2Br-CsPbI3钙钛矿太阳能电池

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因结构简单，能量转换率高，低成本以及温和条件制备等优点，备受学术界的关注。但其存在一个致命的弱点：光化学稳定性和热稳定性差。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。但是由于其禁带宽度大，大大限制了其光电转换效率。在该研究中，作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜，调整了薄膜不同位置的带隙，增大了薄膜厚度，钝化表面，减小了电荷复合，最终得到的器件V_OC 高达1.20 V，J_SC 为15.25 mA/cm²，FF 78.7. %，光电转换效率为14.4%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

【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)，硕士生边慧和白东良（共同一作）在Joule上发表了一篇名为 “Graded Bandgap CsPbI_2+xBr_1-x Perovskite Solar Cells with a Stabilized Efficiency of 14.4%” 的文章。在这次研究中，作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜。研究表明，分级带隙设计可以有效的调整薄膜不同位置的带隙，增大了薄膜厚度，增加了吸光效率，钝化了表面，减小了电荷复合，最终器件光电转换效率和稳定性都有一定的提高。

【图文简介】

图一：器件结构图和分级带隙设计的研究

(a) 器件的结构示意图;

(b) 器件的能级示意图;

图二：Mn离子掺杂CsPbI₃ QDs的表征

(a) 掺杂Mn的CsPbI₃ QDs的TEM图;

(b) 掺杂Mn的CsPbI₃ QDs的HRTEM图;

(c)&(d) 掺杂Mn的CsPbI₃ QDs的XRD图;

(e) 掺杂Mn的CsPbI₃ QDs的XPS图谱;

(f) SCN^-离子处理CsPbI₃ QDs的原理图;

(g) 不同条件处理CsPbI₃ QDs的红外图谱;

图三：CsPbI₃ QDs和 CsPbI₂Br 电池的性能

CsPbI₃ QDs钙钛矿太阳能电池:

(a) SEM图和SEM截面图;

(b) 改性前与改性后器件的J-V曲线;

(c) 器件的EQE曲线;

CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池:

(d) SEM图和SEM截面图;

(e) 器件的J-V曲线;

(f) 器件的EQE曲线;

图四：CsPbBrI₂/CsPbI₃ QDs分级能级器件的性能

(a) 不同器件的吸收图;

(b) 用乙酸乙酯处理不同时间CsPbI₃ QDs的吸收图;

(c) 不同薄膜厚度CsPbI₃ QDs的吸收图;

(d) 表面垂直成分剖面的XPS图;

(e) 用乙酸乙酯处理的表面垂直成分剖面的XPS图;

(f) 吸收的结构示意图;

(g) CsPbBrI₂/CsPbI₃ QD器件的J-V曲线;

(h) CsPbBrI₂/CsPbI₃ QD器件的EQE曲线.

图五：最优器件的性能

(a) CsPbI₃ QD厚度随器件性能的变化;

(b) 器件的稳态测试;

(c)-(f) 不同参数的统计数据。

【小结】

研究表明，作者设计分级带隙的无机钙钛矿薄膜，调整了薄膜不同位置的带隙，增大了薄膜厚度，钝化表面，光电转换效率可达14.4%。这是目前已知的无机钙钛矿太阳能电池的最高效率。

文献链接： Graded Bandgap CsPbI_2+xBr_1-x Perovskite Solar Cells with a Stabilized Efficiency of 14.4% (Joule.，2018, DOI: org/10.1016/j.joule.2018.04.012)

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%。同时，在无机钙钛矿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; Adv. Energy Mater. 2018, 1800007; ACS Energy Lett.2018, 3, 970-978】。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

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