Science：铷离子掺杂提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能

【引言】

钙钛矿太阳能电池的认证效率目前已经达到了22.1%。钙钛矿的化学式为ABX₃，高效率的钙钛矿材料都是MA/FA（A）、Pb（B）和卤族元素(X)的化合物。通过掺杂以构造更复杂的阳离子化合物是提高钙钛矿性能的重要手段，而掺入其他阳离子最主要的目的就是提高钙钛矿的稳定性。但是，大多数的一价阳离子都不满足钙钛矿容差因子t的公式：t=r_A+r_I /(r_Pb+r_I)，容差因子的值需在0.8到1.0之间，但是大多数元素的阳离子的值都小于0.8。如Rb元素，虽然可以提高钙钛矿的氧化稳定性，但是其容差因子小于0.8，故一直没有被用于钙钛矿。

【成果简介】

最近，瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel课题组将Rb离子嵌入钙钛矿中形成多阳离子钙钛矿材料RbCsMAFA（Rb含量为5%），电池效率高达21.6%，开路电压为1.24V，带隙1.63电子伏特，两者之差为0.39V，与商业硅电池仅相差0.01V。Rb离子的掺入使钙钛矿稳定地保持了具有光活性的黑色相，在85℃下长达500小时的太阳光照射后仍然保持有最初性能的95%。

【图文简介】

图1：容差因子和不同温度下的钙钛矿形貌

(A)各元素的容差因子，大于0.8（虚线以上）具有光活性的黑色相，Rb非常接近0.8；

(B)CsPbI₃和RbPbI₃加热到不同温度时的表面形貌，460℃两者开始融化，RbPbI₃始终没有出现黑色相。

图2：退火前和退火后的薄膜表征

(A) 虚线是紫外光波段的吸收，实线是光致发光的强度峰，黑色线是退火前的MAFA薄膜，红色线是退火前的RbCsMAFA薄膜，其中的插图是两种薄膜的荧光显微形貌；

(B) 退火前的MAFA薄膜和RbCsMAFA薄膜的XRD图像；

(C) 退火后的MAFA薄膜和RbCsMAFA薄膜的紫外吸收图像和光致发光的强度峰；

(D) 退火前的MAFA薄膜和RbCsMAFA薄膜的XRD图像。

图3：电池效率、开路电压、光亮度和高温稳定性

(A)21.8%最高电池效率时测得的J-V曲线图；

(B)1.24V最高开路电压时测得的J-V曲线图；

(C)外量子效率和电致发光强度关于电压的函数。左边的插图是电致发光的光谱图，右边的插图是具有两个活性位点的太阳能电池；

(D) 电池的热稳定性测试。在85℃下长达500小时的光照射过程中的电池效率的跟踪测量。

【小结】

研究者通过将Rb⁺离子引入钙钛矿材料中，探讨了不同的掺杂阳离子组合，成功地利用Rb⁺离子提高了钙钛矿的氧化稳定性，为钙钛矿的掺杂工艺提供了更多的可能。

原文链接：Incorporation of rubidium cations into perovskite solar cells improves photovoltaic performance, （Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aah5557）

本文由材料人编辑部新能源学术组 林振炫 供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。