山东科技大学段加龙&暨南大学唐群委ACS Energy Letters：晶粒牢笼策略抑制全无机混合卤素钙钛矿太阳能电池相分离

引言

近年来，全无机混合卤素钙钛矿由于具有优良的带隙可调性，在叠层电池器件中具有很好的应用前景。然而，与单卤素钙钛矿相比，随着Br/I比例的增加，在光照情况下，混合卤素钙钛矿薄膜表现出非常明显的相分离，容易在薄膜内部产生大量的缺陷态，产生新的复合中心，造成载流子非辐射复合，严重制约电池效率与稳定性的提升。因此如何有效地降低缺陷密度，稳定晶格结构并抑制离子迁移对于提升全无机混合卤素钙钛矿太阳能电池器件的光伏性能和稳定性至关重要。

成果简介

近日，暨南大学唐群委&山东科技大学段加龙等人在ACS Energy Letters上发表题为“A Universal Grain “Cage” to Suppress Halide Segregation of Mixed-Halide Inorganic Perovskite Solar Cells”的研究型论文。该工作创新性的提出晶粒牢笼的概念，通过在全无机混合卤素钙钛矿（以CsPbIBr₂为例）晶界原位生长富氮共价有机骨架(COF)，不仅能通过配位作用有效钝化薄膜缺陷，而且可以增加碘离子迁移活化能和碘空位形成能，最终显著提高了电池器件的光伏性能，并抑制了光致相分离现象。经COF改性CsPbIBr₂和CsPbI₂Br钙钛矿电池分别实现了11.50%和14.35%的光电转换效率，光稳定性也明显改善，为全无机混合卤素钙钛矿太阳能电池缺陷钝化和相稳定性增强策略提供了新思路。暨南大学博士后张军帅为第一作者，山东科技大学段加龙教授和暨南大学唐群委教授为文章通讯作者。

图1.  (a, c) 对照组和(b, d) COF-CsPbIBr₂ 钙钛矿薄膜经历光照前后的SEM照片；(e, g) 对照组和(f, h) COF-CsPbIBr₂ 钙钛矿薄膜经历光照前后的XRD谱图；(i) CsPbIBr₂钙钛矿发生光致相分离过程示意图；(j) CsPbIBr₂钙钛矿晶界存在COF时抑制光致相分离现象示意图。

图2.  (a, c) CsPbIBr₂和(b, d) COF-CsPbIBr₂ 钙钛矿薄膜在模拟太阳光(AM1.5G, 100 mW cm^-2) 持续光照120 min前后钙钛矿薄膜紫外可见吸收光谱和相对初始光谱吸收强度变化图；(e-f) COF处理前后CsPbIBr₂钙钛矿薄膜的PL成像；(g) 钙钛矿薄膜的Pb 4f- XPS谱图；(h) COF重复单元的静电势分布；(i) 碘空位形成能；(j-l) 理论计算模拟COF处理前后CsPbIBr₂钙钛矿中碘离子的迁移路径及在对应位点的活化能。

图3.  (a) CsPbIBr₂钙钛矿存在碘空位和(b) 被COF钝化的电荷密度分布，其中黄色和青色分别表示电子累积和缺失；(c) CsPbIBr₂钙钛矿产生碘空位时，引入COF前后在最低导带附近对应的DOS曲线和局部放大图；(d) 纯电子器件的暗态J-V曲线；(e) CsPbIBr₂和COF-CsPbIBr₂ 钙钛矿薄膜的TRPL光谱；(f-h) COF钝化前后FTO/c-TiO₂/CsPbIBr₂钙钛矿薄膜在光照前后对应的KPFM和电势分布。

图4. (a) CsPbIBr₂和COF-CsPbIBr₂ 钙钛矿电池器件的 J-V曲线；(b) EQE谱图；(c) 稳态输出曲线；(d) 暗态模特-肖特基曲线；(e) 暗态J-V曲线；(f) CsPbI₂Br和COF-CsPbI₂Br 钙钛矿电池器件的 J-V曲线；(g) 接触角照片和持续光照时所对应的钙钛矿薄膜照片；(h) T = 25 °C和RH = 10%的大气环境下，未封装的CsPbIBr₂和COF-CsPbIBr₂钙钛矿电池器件的长期稳定性；(i) 光稳定性。

该工作得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、广东省基础与应用基础研究基金项目、广州市科技规划项目和中央高校基本科研专项资金的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c01771