陕师大刘生忠教授等人Adv. Funct. Mater.：给钙钛矿补“钙”助力高效CsPbI2Br钙钛矿太阳电池制备

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的效率已经达到了25.2%。然而，杂化钙钛矿中的有机组分（甲氨和甲眯）在热力学上是不稳定的，光照、加热和高湿条件都会诱导有机组分缓慢挥发或分解，从而导致杂化钙钛矿吸光层降解失效。相比之下，基于无机阳离子(Cs⁺)的全无机钙钛矿（CsPbX₃）能够避免有机组分的挥发，进而有望从根本上解决杂化钙钛矿的组分稳定性问题。在全无机钙钛矿家族中，CsPbI₂Br具有合适的带隙和结构稳定性，因此近年来引起了研究者的广泛关注。2019年CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的效率已经达到了16.58%，但其开路电压较低1.23 V，能量损失高达0.69 eV，效率远远落后于杂化钙钛矿太阳电池和无机CsPbI₃钙钛矿太阳电池。因此，通过减少能量损失来提高CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的开路电压和效率很有必要。

【成果简介】

近日，陕西师范大学的刘生忠教授和刘治科教授（共同通讯作者）等人报道了通过给无机钙钛矿补“钙”来制备高效稳定的CsPbI₂Br钙钛矿电池。作者通过在钙钛矿前驱体溶液中引入少量 (0.5%) CaCl₂达到同时提高CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的开路电压、填充因子和效率的目的。CaCl₂能够有效降低CsPbI₂Br薄膜的结晶速率，降低薄膜的缺陷密度，增加薄膜的载流子寿命，并有效提升薄膜的费米能级，增大器件的内建电场，从而提高了CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的开路电压。掺杂0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的效率达到16.79%，开路电压为1.32 V，填充因子是83.29%。另外，未封装的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池在空气中放置1080 h后，效率仍能保持其初始效率的90%，稳定性能优异。

【图文导读】

图1. a) 35℃加热不同时间、掺杂 0-1% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜照片b) 不同CaCl₂浓度掺杂CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的XRD图和放大的 (200)峰 c) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的UV–vis吸收光谱和Tauc plot图d-e) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的稳态PL谱图和PL强度衰减曲线

图2. a-b) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的顶视SEM图 c-d) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的截面SEM图 e-f) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的AFM图

图3. a) 不同CaCl₂浓度掺杂CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的J-V曲线 b) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的EQE图c) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的电流密度和效率的稳定输出曲线d) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的能级图e) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的Mott-Schottky图f) 掺杂0%和0.5% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的Nyquist图

图4. 掺杂 0-1% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的XPS对比图： a) Cs 3d, b) Pb 4f, c) I 3d, d) Br 3d, e) Ca 2p, f) Cl 2p

图5. 掺杂 0-1% CaCl₂的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜在相对湿度为40%的条件下放置不同时间的照片

【小结】

研究团队系统地研究了CaCl₂对CsPbI₂Br钙钛矿薄膜质量和CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池性能的影响规律。CaCl₂中的Ca²⁺能延缓CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的结晶速率并显著提高其结晶度，从而降低薄膜的缺陷态密度，延长其载流子寿命。此外，CaCl₂还能提高CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的费米能级，增大器件的内建电场，从而提升CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的开路电压。最终，CsPbI₂Br钙钛矿太阳电池的效率达到16.79%。

文献链接：Controlled n‐Doping in Air‐Stable CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with a Record Efficiency of 16.79%（Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.201909972）

本文由kv1004编译供稿。