Adv. Energy Mater.: CsPb1-xSnxIBr2 钙钛矿电池—实现效率和稳定性“双赢”

【引言】

短短几年内，有机—无机杂化钙钛矿电池的光电转换效率已经从3.8% 跃升至目前的22.7%。但是由于有机离子易挥发易分解等问题，严重影响器件的稳定性，制约着其进一步发展。相比之下，无机钙钛矿因其优异的稳定性成为研究者们的关注热点。CsPbI_3-xBr_x因其较低的相转变温度，带隙可调，相稳定的优势，是目前无机钙钛矿电池的常用材料，但是光照条件下容易相分离，形成I和Br的富集区，进而导致器件性能的下降。在该研究中，作者采用Sn取代部分Pb，使用一步反溶剂方法在150℃下制备CsPb_1-xSn_xIBr₂钙钛矿薄膜，显著提高了钙钛矿相稳定性和光稳定性。

【成果简介】

近日，清华大学王立铎教授和华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授、Zhu Zonglong 博士（共同通讯作者），清华大学博士生李楠（第一作者）等人使用一步法制备了一系列CsPb_1-xSn_xIBr₂钙钛矿薄膜，禁带宽度在2.04-1.64eV范围内可调，其中使用CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂钙钛矿薄膜制备的太阳能电池V_oc高达1.21V，最高光电转换效率为11.53%，相较于CsPbIBr₂，钙钛矿相稳定性和光稳定性有了显著提高。相关成果以题为“Inorganic CsPb_1-xSn_xIBr₂ for Efficient Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells”发表在Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图一 CsPb_1-xSn_xIBr₂钙钛矿薄膜光学性能表征

(a) 钙钛矿薄膜照片，随着Sn含量增加，薄膜颜色逐渐由橘红色变为深棕色；

(b) 薄膜XRD图，无杂相出现，表明相分离被明显抑制；

(c) 可见吸收光谱，随着Sn含量增加，吸收红移；

(d) 稳态PL光谱；

(e) 瞬态PL光谱。

图二 CsPb_1-xSn_xIBr₂钙钛矿薄膜SEM

(a) CsPbIBr₂；(b) CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂；(c) CsPb_0.5Sn_0.5IBr₂；

(d) CsPb_0.25Sn_0.75IBr₂；(e) CsSnIBr₂。

图三 钙钛矿电池器件结构及性能曲线

(a) 器件截面SEM图；

(b) 器件能级结构示意图；

(c) 器件J-V性能曲线；

(d) 器件EQE曲线。

图四 钙钛矿电池器件性能表征

(a)、(b) 不同光照时间下CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂的稳态PL光谱；

(c)、(d) 光照下CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂电池的正反扫J-V曲线；

(e)、(f) CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂电池稳定功率输出测试；

(g)、(h) CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂电池效率（反扫及稳态功率输出）直方图。

图五 钙钛矿电池器件稳定性测试

CsPbIBr₂、CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂电池性能参数稳定性 (a) PCE、(b) Voc、(c) Jsc、(d) FF（室温下，湿度50~60%，无封装条件下测试）

【小结】

研究人员制备了一系列CsPb_1-xSn_xIBr₂钙钛矿薄膜作为钙钛矿电池的光吸收层，并探究了Sn含量对钙钛矿薄膜性质及电池性能的影响。其中使用CsPb_0.75Sn_0.25IBr₂钙钛矿薄膜制备的太阳能电池，相较于CsPbIBr₂，器件效率和稳定性都有了显著的提高。该研究为制备高效稳定的无机钙钛矿电池提供了新的思路和方法，推进了钙钛矿的产业化进程。

文献链接：Inorganic CsPb_1-xSn_xIBr₂ for Efficient Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.2018,DOI: 10.1002/aenm.201800525）

【团队介绍】

王立铎教授领导的课题组是国内外较早从事钙钛矿太阳能电池在敏感环境条件下（水氧气氛、紫外光照、残留溶剂、加热或变温）化学稳定性及其调控研究的团队之一。该团队首次从热力学分析的角度验证有机无机杂化钙钛矿的水氧条件衰降机制并开展了有效的氧化铝界面修饰工作，为之后国际上杂化钙钛矿水氧稳定性的研究奠定了基础【Guangda Niu, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 705】。基于界面工程提升钙钛矿太阳能电池的紫外稳定性，解决光照条件下的紫外光催化分解问题【Xudong Guo, ChemPhysChem, 2015, 16, 1727; Wenzhe Li, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 490】。通过溶剂工程制备高效率钙钛矿太阳能电池，并通过引入界面材料改善器件湿法制备过程中存在的溶剂腐蚀问题【Wenzhe Li, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10399, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 13587; Jiangwei Li, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 8882】。通过原位分析表征杂化钙钛矿太阳能电池的热稳定性，验证了钙钛矿层在高温衰降过程中碘离子和甲胺离子的分解扩散，表明有机组分是器件热稳定性的直接制约因素【Jiangwei Li, Adv. Energy Mater., 2017, 1602922】。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。

本文由材料人编辑部新人组杨小昆编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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