Adv. Energy Mater.：功率转换效率破纪录！重铸策略助力高性能全无机钙钛矿/有机集成太阳能电池

【背景介绍】

全无机铯-铅混合卤素（CsPbX₃, X=I, Br）钙钛矿太阳能电池（pero-SCs）具有优异的热稳定性和高功率转换效率（PCE），但是I含量（I/Br比）极大的影响了全无机钙钛矿的水/光稳定性和效率。其中，CsPbIBr₂具有平衡的带隙和优异稳定性，被认为是应用于太阳能电池的最佳选择。同时，CsPbIBr₂具有2.1 eV的禁带、无需高温退火等优势。因此，亟需探索基于CsPbIBr₂的高性能pero-SCs的研究领域。但是，pero-SCs较低的开路电压（V_oc<1.2 V）和短路电流密度（J_sc<11 mA cm^-2），导致PCE较低（＜9％）。有机半导体材料（OSMs）具有可调能级/带隙、低固有缺陷等优点，因此，利用OSMs或许可以提高全无机CsPbIBr2的质量并扩展其吸收光谱，从而提升相应器件的效率和稳定性。最近，根据能级匹配和互补吸收的规则，提出了在钙钛矿上沉积低带隙有机本体-异质结（BHJ）层来集成两个光敏层的概念，以扩展pero-SCs的光响应。但是，大多数集成太阳能电池（ISCs）具有较弱的光电流，并且伴有填充因子（FF）严重恶化。因此，必须探索在ISCs中实现高光电流而又不降低器件性能的有效策略。

【成果简介】

近日，苏州大学的李耀文教授、中科院化学研究所的朱晓张研究员和国家纳米科学中心的周二军研究员（共同通讯作者）等人联合报道了一种重铸策略，以优化低带隙有机本体-异质结（BHJ）薄膜的空间分布组件，并与全无机钙钛矿相结合以构造钙钛矿/BHJ ISCs。根据互补吸收和能级匹配的规则，通过将重铸有机BHJ与CsPbIBr₂结合起来，成功实现了高性能ISCs。其中，CsPbIBr₂具有出色的热稳定性，可以防止钙钛矿在BHJ薄膜沉积过程中降解。重铸的BHJ薄膜不仅可以实现顶部富集供体组分，而且可以微调组分的分子方向。具有重铸BHJ薄膜的ISCs可以有效抑制界面电荷载流子复合，增强钙钛矿与BHJ薄膜之间的双极性电荷传输行为。实验结果发现，高光响应从600 nm扩展到730 nm，最大外部量子效率（EQE）值为40％，同事在不牺牲其它光伏性能下又贡献了20％的J_sc。总之，基于CsPbIBr₂的pero-SCs的PCE达到了创纪录的11.08％，并具有优异的长期热（85 ^oC）稳定性和紫外光（100 mW cm^-2）稳定性。研究成果以题为“Spatial Distribution Recast for Organic Bulk Heterojunctions for High-Performance All-Inorganic Perovskite/Organic Integrated Solar Cells”发布在国际著名期刊Adv. Energy Mater.上。

【图文解读】

图一、BHJ薄膜的应用和性能
（a）左：全无机钙钛矿/有机BHJ ISC的装置结构；右：CsPbIBr₂的晶体结构和OSMs的分子结构；

（b）CsPbIBr₂、BHJ-1和BHJ-2薄膜的归一化吸收光谱和AM 1.5G光谱；

（c-d）在AM 1.5G 100 mW cm^-2照明下，具有不同OSMs作为HTL的设备的J-V曲线和EQE光谱；

（e）与不同BHJ薄膜集成的CsPbIBr₂的能级图。

图二、不同器件配置测量ISCs的J-V曲线
（a）ITO/Cl-TiO₂/CsPbIBr₂/PBDB-T/MoO₃/Al；

（b）ITO/Cl-TiO₂/CsPbIBr₂/PBDB-T/BT2b/MoO₃/Al；

（c）相应的EQE光谱。

图三、不同组成薄膜的性能
（a）PBDB-T和BT2b在MeOH/THF混合溶剂中的溶解度；

（b）CsPbIBr₂、CsPbIBr₂/BHJ-2和CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的吸收光谱；

（c）裸PBDB-T、裸BT2b和BHJ-2-RC薄膜的表面电势（SP）；

（d）对BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的N元素进行EDS映射；

（e）涂有BHJ-2或BHJ-2-RC的CsPbIBr₂钙钛矿膜的XRD图谱。

图四、BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的表征
（a）CsPbIBr₂/BHJ-2和CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的AFM高度图像；

（b）BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的TEM图像；

（c）用于BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的2D GIWAXS模式；

（d）BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜的面外和面内GIWAXS轮廓；

（e）BHJ-2和BHJ-2-RC薄膜（100）层状衍射的电极图。

图五、不同薄膜的稳态PL光谱和XPS光谱
（a-b）在玻璃基底上制作不同薄膜的稳态PL光谱和TRPL图；

（c-d）CsPbIBr₂、CsPbIBr₂/BHJ-2和CsPbIBr2/BHJ-2-RC薄膜的Cs 3d和Pb 4f的XPS光谱。

图六、BHJ-2薄膜重铸过程的示意图

图七、BHJ-2-RC基ISCs的性能测试
（a）BHJ-2-RC基ISCs的截面SEM图像；

（b）在AM 1.5G、100 mW/cm²光照下，BHJ-2-RC基ISCs的J-V曲线；

（c）在1 V的V_bias下，测量BHJ-2-RC基ISCs的稳态PCE；

（d）BHJ-2-RC基ISCs的EQE频谱；

（e）BHJ-2-和BHJ-2-RC基ISCs的光电场分布；

（f）最近报道的20种全无机CsPbIBr₂基pero-SCs或ISCs的J_sc和PCE的统计图；

（g）在热退火温度为85℃、N₂气氛下，不同薄膜的归一化PCE；

（h）在100 mW/cm²紫外线照射、N₂气氛下，不同薄膜的归一化PCE。

【小结】

综上所述，作者报道了一种有机BHJ薄膜的重铸策略，并成功地制备了全无机钙钛矿/有机BHJ ISCs。基于CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的ISCs具有最丰富的PBDB-T空间分布，可以显着抑制界面电荷载流子的复合，并改善集成的两个光敏层中的双极性电荷传输行为。具有CsPbIBr₂/BHJ-2-RC薄膜的ISCs的光响应从600 nm扩展到730 nm，从而贡献20％的J_sc。同时，V_oc为1.22 V、FF为72.66％、PCE为11.08％。其中，PCE是已报道的CsPbIBr₂基pero-SCs中最高的。此外，利用重铸策略的ISCs在高温和强紫外线照射下也具有很好的长期稳定性。总之，该方法为制备高性能ISCs开辟了一条新途径，并且必将加速ISCs在实际应用中的开发。

文献链接：Spatial Distribution Recast for Organic Bulk Heterojunctions for High-Performance All-Inorganic Perovskite/Organic Integrated Solar Cells（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000851）

本文由CQR编译。

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