上海交通大学赵一新JACS :“相稳+湿稳”—效率高达17%的CsPbI3全无机钙钛矿电池

【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23.3%，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热稳定性成为研究者们的关注热点，其中CsPbI3具有1.73eV的带隙，非常适合与窄带隙钙钛矿或硅制备高效串联太阳能电池。然而，在潮湿条件下CsPbI3的α相（黑相）会转变为非光敏δ相（黄相），使器件性能严重恶化。已有研究报道通过引入量子点、构筑2D/3D结构及表面钝化等方式可制备得到稳定的α相CsPbI3。尽管如此，与相近带隙的有机—无机杂化钙钛矿相比，稳定性和效率还是逊色不少，因此如何制备稳定且高效率的全无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池，仍然是一个挑战。

【成果简介】

近日，上海交通大学赵一新教授（通讯作者），王勇博士（第一作者）等人采用PTABr小分子修饰CsPbI3钙钛矿膜表面，其中梯度Br掺杂诱导钙钛矿晶粒长大并提高相稳定性，同时疏水有机PTA阳离子显著提高湿度稳定性，进而制备得到高质量稳定的黑相CsPbI3薄膜，最终得到的器件光电转换效率高达17.06%，为目前已知的无机钙钛矿电池的最高效率。相关成果以题为“Bifunctional Stabilization of All-Inorganic α-CsPbI3 Perovskite for 17% Efficiency Photovoltaics”发表在JACS上。

【图文导读】

图一 钙钛矿薄膜表征

(a) 紫外-可见吸收光谱；
(b) 钙钛矿薄膜的XRD；
(c, d) CsPbI3和PTABr-CsPbI3薄膜的SEM。

图二 PTABr-CsPbI3钙钛矿薄膜元素表征

(a) PTABr-CsPbI3钙钛矿薄膜表面元素分布；
(b, c) PTABr-CsPbI3钙钛矿电池器件截面SEM及相应的元素分布；
(c) CsPbI3与PTABr-CsPbI3钙钛矿薄膜的C1s和N1s的XPS谱。

图三 PTABr修饰原理及钙钛矿薄膜稳定性表征

(a) CsPbI3钙钛矿薄膜梯度Br掺杂及PTA阳离子表面钝化示意图；
(b) 钙钛矿薄膜XRD（氮气手套箱中80℃加热72后）；
(c) 钙钛矿薄膜XRD（35℃，80±5% RH环境下放置0.5h后）。

图四 无机钙钛矿电池器件性能表征

(a) 器件反扫J-V性能曲线；
(b) 器件效率统计分布直方图；
(c) PTABr-CsPbI3钙钛矿电池在氮气手套箱中的光稳测试；
(d) 钙钛矿电池的瞬态光电流测试。

【小结】

研究人员采用简单的小分子修饰的方法，通过梯度Br掺杂及PTA阳离子表面钝化制备得到高质量稳定的CsPbI3无机钙钛矿薄膜。PTABr-CsPbI3光伏器件具有较高的VOC和FF，最高效率高达17.06%，稳态输出效率为16.3%，为目前已知无机钙钛矿电池效率之最。研究人员提出的双功能梯度卤化物掺杂与有机阳离子表面钝化的化学策略将为钙钛矿实现在各类光电器件中的稳定应用提供有效指导。

文献链接：Bifunctional Stabilization of All-Inorganic α-CsPbI3 Perovskite for 17% Efficiency Photovoltaics (JACS.2018,DOI: 10.1021/jacs.8b07927）

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