南开大学Joule：准二维无机钙钛矿构筑高效稳定太阳能电池

【引言】

相对于有机无机杂化钙钛矿，全无机钙钛矿(如CsPbX₃)具有优异的载流子传输特性的同时，还具有较高的湿热稳定性，因此受到研究者的广泛研究。然而，目前溶液法制备的铯基无机钙钛矿太阳能电池的能量转换效率仍然远远低于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池。其中一个主要原因是，由于卤化铯(CsX)和卤化铅(PbX₂)在极性溶剂中(如DMF)的溶解度较低，导致其制备的钙钛矿薄膜厚度大部分均在200 nm以下，而这个厚度远低于高效无机钙钛矿太阳电池的薄膜厚度最佳值(400~600 nm)，因此突破传统的溶解性问题获得高吸光性的钙钛矿薄膜是其中一个巨大挑战。此外，吸光率高的窄带隙立方相富碘卤化铯铅钙钛矿在常温下所面临的热力学不稳定性问题，也很大程度限制了铯基无机钙钛矿太阳能电池的发展。因此，如何抑制立方相的无机铅钙钛矿在常温下所发生的自发相转化又是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，南开大学袁明鉴研究员等人在Joule上发表了一篇名为“Reduced-Dimensional α-CsPbX₃ Perovskites for Efficient and Stable Photovoltaics”的文章。该研究通过一种全新的前驱液组合(乙酸铯(CsAc)和三卤氢铅(HPbX₃))克服了以往前驱体溶解度极低的问题，进而成功制备出厚度为500 nm的高质量铯基无机钙钛矿薄膜。此外，作者在该溶液体系中进一步引进了苯乙基碘化铵(phenylethylammonium iodide, PEAI)可以有效地构筑准二维无机钙钛薄膜。该法可有效地抑制常温下立方相钙钛矿向黄相(yellow phase)的自发相转变，并且大大地降低了薄膜的缺陷态密度。按照以上方法，作者成功地制备出至今为止效率最高的无机钙钛矿太阳能电池(12.4%)，并且具有优异的环境稳定性。

【图文简介】

图1：全无机钙钛矿卤化铯铅（CsPbX₃）的相关表征

(a). 不同卤素配比的无机钙钛矿薄膜吸收光谱；

(b). 不同卤素配比的无机钙钛矿薄膜的光学带隙随不同卤素含量的变化曲线；

(c). 无机钙钛矿CsPbI₃, CsPbI₂Br, CsPbIBr₂, CsPbBr₃钙钛矿薄膜对应的XRD；

(d). 大面积9×9 cm²无机钙钛矿薄膜的数码照片;

(e). CsPbIBr₂钙钛矿薄膜的SEM图。

图2：卤化铯铅钙钛矿太阳能电池光伏特性

(a). 基于CsPbI₃, CsPbI₂Br, CsPbIBr₂, CsPbBr₃薄膜钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；

(b). 基于不同卤素配比无机钙钛矿薄膜太阳能电池相应的EQE曲线；

(c). 相应钙钛矿薄膜组装太阳能电池在空气中的老化曲线。

图3：准二维钙钛矿薄膜的表征

(a). 不同<n>值无机准二维钙钛矿以及相应相对分解能量的示意图；

(b). PEA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1无机准二维钙钛矿薄膜的吸收光谱

(c). 不同<n>值的钙钛矿粉末的小衍射角XRD；

(d). 空气中老化后不同<n>值的钙钛矿薄膜的小衍射角XRD；

(e). 不同<n>值无机准二维钙钛矿的稳态荧光光谱；

(f). <n>=40，60的准二维钙钛矿与体相全无机钙钛矿的瞬态荧光衰减寿命测试

图4：准二维无机钙钛矿太阳能电池的性能表征

(a). 用PEA₂Cs_n-1Pb_nX_3n+1钙钛矿作为吸收层的钙钛矿太阳能电池结构示意图；

(b). <n>=60的准二维无机钙钛矿太阳能电池的截面SEM图；

(c). <n>=60的准二维无机钙钛矿太阳能电池的平面SEM图；

(d). 基于不同<n>值无机钙钛矿的太阳能电池J-V曲线；

(e). 体相全无机与准二维无机钙钛矿薄膜在空气中老化前后的对比数码照片；

(f). <n>=60的准二维无机钙钛矿太阳能电池的EQE曲线；

(g). 基于不同<n>准二维无机钙钛矿的器件稳定性测试。

【小结】

该研究成功地突破了无机卤化铯铅钙钛矿太阳电池的两个难题。其一是利用新型前驱液组合(CsAc, HPbX₃)制备出厚度约500 nm的钙钛矿薄膜，突破了传统前驱体溶解性差导致薄膜过薄吸光度低的问题；其二是通过在该体系中引入PEAX,成功地构筑准二维无机钙钛矿，有效地提高钙钛矿薄膜的热力学稳定性，进而抑制室温下的自发相转变。通过以上措施，作者成功研制出目前效率最高的无机卤化铯铅钙钛矿太阳能电池，效率达到12.4%，并且具有优异的环境稳定性。

文献链接：Reduced-Dimensional a-CsPbX₃ Perovskites for Efficient and Stable Photovoltaics (Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.05.004)

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

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