暨南大学唐群委J Mater Chem A：全无机CsPbBr3钙钛矿太阳电池创10.26%的效率纪录

【引言】

近年来，基于CsPbBr₃的全无机钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借优异的耐热、耐光、耐湿性能受到了科研人员的广泛关注。无机钙钛矿薄膜的吸光范围对光电转换效率的提升具有关键作用，而CsPbBr₃吸光剂的禁带宽度（E_g）为2.3 eV，过宽的E_g导致该类电池只能利用400 ~ 550nm波长的太阳光，严重制约了光伏性能的进一步提升。虽然利用组分工程将I^-离子取代Br^-制备CsPb(I+Br)₃以降低钙钛矿层的E_g，但与此同时无机PSC器件的稳定性也大幅下降。因此，如何在不降低器件稳定性的基础上，拓宽全无机PSC的吸光范围并提高电池光电转换是该领域的关键科学问题。

【成果简介】

近日，暨南大学新能源技术研究院的唐群委教授（唯一通讯作者）在Journal of Materials Chemistry A杂志发表了以“10.26%-Efficiency All-Inorganic CsPbBr₃ Perovskite Solar Cell by Spectra Engineering”为题的研究论文。该工作创新性地设计了在550~700nm波长具有光吸收的无机纳米光活化材料SnS/ZnS，通过光谱工程拓宽了CsPbBr₃钙钛矿层的光响应。同时，利用元素工程将镧系稀土Tb³⁺离子作为添加剂引入到CsPbBr₃薄膜当中，以增大晶粒尺寸、减少晶界和钝化晶面，加速电荷传输。该研究中制备的具有FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CsPb_0.97Tb_0.03Br₃/SnS:ZnS/NiO_x/C结构的太阳能电池获得了10.26%的光电转换效率，这是基于CsPbBr₃体系的最高效率纪录。此外，这类电池在相对湿度80%、25 ^oC空气中保持40天或者在80 ^oC、干燥空气中保持15天，其光电转换效率都基本不变。

【图文简介】

图1. CsPbBr₃基无机PSC的最高效率以及器件结构和SnS/ZnS的相关表征

（a）基于CsPbBr₃ 的全无机PSC器件的最高效率。

（b）全无机PSC器件的SEM断面图。

（c，d）ZnS高倍TEM图和对应的电子衍射图。

（e，f）SnS高倍TEM图和对应的电子衍射图。

 图2. 无机PSC器件的光伏性能表征

（a）不同类型无机PSC器件的J-V曲线。

（b）最优的无机PSC器件的稳态输出。

（c）无机PSC的能带结构图。

（d）不同类型PSC的IPCE曲线。

 图3. 无机PSC器件的电荷提取性能

（a）两种器件的短路电流密度与光强的关系。

（b）两种器件的开路电压与光强的关系。

（c）不同钙钛矿薄膜的PL图谱。

（d）不同钙钛矿薄膜的瞬态荧光衰减测试。

 图4. 无机PSC器件的电荷提取性能

（a）无机CsPbBr₃薄膜形貌图（80% RH, 25ºC）。

（b）电池在RH = 80%，T = 25 ^oC下的稳定性。

（c）电池在RH = 0%，T = 80 ^oC下的稳定性。

【小结】

研究人员利用宽光谱响应的光活化材料拓宽了无机PSC器件的吸光范围，并利用镧系稀土Tb³⁺离子对CsPbBr₃的掺杂钝化晶界、加速电子传输，最终获得了10.26%的光电转换效率。这项工作对于进一步提高CsPbBr₃基全无机PSC的光电转换效率提供了新思路。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c8ta08900k#!divAbstract

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