Science：全无机钙钛矿太阳能电池-低温稳定的CsPbI3立方相

【引言】

有机无机杂化钙钛矿（ABX₃）自2009年首次用于光伏发电器件以来受到广泛关注，发展至今已实现22%能量转化效率，与现今最好的薄膜硫族化物和硅器件势均力敌。但是，有机无机杂化钙钛矿在自然环境下却不能长期稳定存在。全无机铅卤化物钙钛矿CsPbI₃不含有挥发性有机组分，其立方相具有最合适的带隙（E_g=1.73 V），是理想的替代品，然而在320℃下易转变为正交晶系。为了解决这一问题，已有文章报道采用Br^-取代I^-，将相变温度降低至100℃，但是这却导致带隙变宽，不利于能量转化。

【成果简介】

2016年10月7日，Science发表了一篇关于钙钛矿太阳能电池的文章，题目为“Quantum dot-induced phase stabilization of α-CsPbI₃ perovskite for high-efficiency photovoltaics”。该文章的通讯作者是美国国家可再生能源实验室Joseph M. Luther教授。类似有机金属卤化物的全无机钙钛矿，立方相α-CsPbI₃具有理想的带隙，但是一般只在高温下稳定存在。Joseph M. Luther教授课题组合成在低温下稳定存在的α-CsPbI₃量子点，可用于高效太阳能电池。

在本文中，作者主要改进α-CsPbI₃量子点的制备方法并开发纯化工艺。巧妙利用表面活性剂包覆α-CsPbI₃量子点，而后纯化的量子点在空气中甚至低温下稳定存在数个月，并在可见光下具有可调谐带隙。进一步制备成薄膜将其应用于太阳能电池，表现出超过10%的能量转化效率和稳定输出功率，其开路电位高达1.23 V。这些器件还能用于低导通电压和可调谐发射的发光二极管。

【图文导读】

图1：CsPbI₃量子点表征

(A) 分别在不同温度(a)60℃(3.4 nm)、(b)100℃(4.5 nm) 、(c)140℃(5 nm)、(d)150℃(6.8 nm) 、(e)170℃(8 nm)、(g)180℃(9 nm)、(f)185℃(12.5 nm)下合成的CsPbI₃量子点的归一化紫外-可见吸收光谱和照片。括号中数字是从TEM观测到的平均粒径。

(B) 在紫外光照射下(A)中量子点的归一化光致发光光谱和照片。

(C) 180℃下合成的CsPbI₃量子点的高分辨TEM图。

(D) 不同温度下合成的CsPbI₃量子点的XRD图，可确认它们均为CsPbI₃的立方相。

图2：CsPbI₃量子点的相稳定性

(A-B) 分别是170℃合成的CsPbI₃量子点并在空气中储存60天的粉末XRD图谱和在370 nm归一化的紫外-可见吸收光谱。插图可看到激子峰发生轻微蓝移。

(C) CsPbI₃量子点XRD图谱的Rietveld精修拟合，说明是纯净的CsPbI₃立方相。

图3：CsPbI₃量子点薄膜

(A) 100℃、150℃、180℃合成的CsPbI₃量子点在溶液（蓝色）和成型薄膜上（黑色）的紫外-可见吸收光谱（实线）和光致发光光谱（虚线）。

(B) FTIR光谱显示CsPbI₃量子点薄膜成型时（黑色）和MeOAc处理后（红色）的红外透射。

图4：CsPbI₃光电子器件

(A-B) 分别是CsPbI₃光伏电池的示意图（含量子点的TEM图）和SEM截面图。

(C) 在空气中历经15天储存的器件的电流密度-电压曲线。黑方块表示器件在电压0.92V下稳定的输出功率。

(D) 器件的外量子效率（黑色）和积分电流密度（蓝色）。

(E) CsPbI₃光伏电池（170℃合成的CsPbI₃量子点）在正向偏压下的电致发光光谱。插图是发光器件的照片。

(F) 分别是采用170℃和180℃合成的CsPbI₃量子点组装的完整器件的光致发光（虚线）和电致发光（实线）光谱，说明在完整器件上的量子尺寸效应。

【小结】

Joseph M. Luther教授课题组利用纳米技术，将通常情况下常温不能稳定的CsPbI₃立方相实现稳定的转变，为全无机钙钛矿太阳能电池的发展带来了新的契机。这一方法也为LEDs等其他领域的材料设计提供另一种机理。

文献链接：Quantum dot–induced phase stabilization of α-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics   (Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aag2700 )

本文由材料人编辑部新能源学术组 蒜头 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。