陕师大Adv. Mater.: 通过添加剂策略空气中印刷制备19%光电转换效率的CsPbI3钙钛矿太阳电池

【研究背景】

钙钛矿半导体因其独特的强光吸收和优异的载流子迁移率而成为太阳能电池的新材料。钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）已从3.8%提高到25.2%，这已经可以与其他薄膜光伏（PV）器件相媲美。钙钛矿材料的一个显著优势是能够在低温下进行固溶处理，这使得钙钛矿太阳能电池有望成为高性能、可印刷和低成本的无真空光伏技术的候选材料。空气中可印刷的制备技术，如刮涂法，可方便地进入成熟的工业过程。目前，通过刮涂法制备的有机-无机钙钛矿太阳能电池的PCE已达到21.9%（8 mm²）。遗憾的是，MA基钙钛矿型太阳能电池由于其易挥发的MA⁺阳离子而存在热稳定性差的问题。用Cs⁺（例如CsPbI₃）取代MA⁺可以显著提高热稳定性，并略微增加带隙（≈1.7 eV），这两方面共同为高效串联太阳能电池带来了希望，但已报道的制备技术无法转移至大规模商业化应用。

【成果简介】

近日，陕西师范大学赵奎教授（刘生忠教授团队）联合阿卜杜拉国王科技大学Thomas D. Anthopoulos教授报道了空气中低温印刷的CsPbI₃太阳能电池。通过引入低浓度的多功能分子添加剂Zn(C₆F₅)₂，可以降低快速结晶成膜导致的能级失配和陷阱密度，从而实现高质量的CsPbI₃钙钛矿薄膜。结果表明：添加剂倾向于在CsPbI₃/SnO₂界面附近积累，减少了150 meV的能级差异；同时添加剂在钙钛矿表面上也有强烈的化学吸附，减少了陷阱密度。因此空气中印刷的太阳能电池获得了19%的能量转换效率。该文章近日以题为“Printable CsPbI₃ Perovskite Solar Cells with PCE of 19% via an Additive Strategy”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、空气中刮涂法制备CsPbI₃钙钛矿薄膜

（a）刮涂法制备SnO₂、CsPbI₃钙钛矿和Spiro-OMeTAD示意图。

（b）CsPbI₃和用不同浓度的Zn(C₆F₅)₂添加剂处理过的CsPbI₃薄膜的XRD图。

（c）刮涂法制备的SnO₂、Spiro-OMeTAD、CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的SEM图。

（d）刮涂法制备的CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的截面SEM图。

图二、光伏性能

（a）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的太阳能电池的效率统计图。

（b）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂的太阳能电池的最高效率的J-V曲线。

（c）CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂太阳能电池的稳定功率输出曲线。

（d）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂的太阳能电池的EQE。

图三、Zn(C₆F₅)₂的分布和能级排列

（a）CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂钙钛矿薄膜的TOF-SIMS表征。

（b）在CsPbI₃/SnO₂界面上优先积累Zn(C₆F₅)₂的示意图。

（c）Zn(C₆F₅)₂分子在SnO₂（001）表面的化学吸附。

（d）CsPbI₃的I端（001）表面。

（e）CsPbI₃的Pb端（001）表面。

（f）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的UPS光谱。

（g）太阳能电池的能级图显示在CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜内形成了能级梯度，以及CsPbI₃/SnO₂界面的能级排列。

图四、CsPbI₃薄膜的光物理性质

（a）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的UV-vis和PL光谱对比。

（b）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂薄膜的TRPL。

（c）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂的电池的开路电压与光强度的关系。

（d）CsPbI₃钙钛矿电池的暗态I-V图。

（e）CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂钙钛矿电池的暗态I-V图。

（f）CsPbI₃和CsPbI₃-Zn(C₆F₅)₂钙钛矿电池电阻抗光谱（EIS）。

【结论展望】

赵奎课题组在刮涂印刷光电器件方面做了系列的工作。在基于有机-无机钙钛矿太阳电池从惰性气氛向空气中刮涂印刷转移工作基础上（Joule 2018, 2, 1313.），通过结晶动力学调控实现了全无机钙钛矿CsPbI₂Br太阳电池在空气中快速印刷制备（Joule, 2019, 3, 2485.）。本工作进一步解决空气中快速印刷成膜导致薄膜缺陷的关键问题，实现高效CsPbI₃太阳能电池。系列工作为未来钙钛矿光电器件在空气中高通量制备提供理论和技术指导。

文献链接：Printable CsPbI₃ Perovskite Solar Cells with PCE of 19% via an Additive Strategy (Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001243)

本文由大兵哥供稿。

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