Adv. Mater.：全真空沉积化学计量平衡无机铯铅卤化物钙钛矿型太阳能电池稳定效率超过 11%

【引言】

由于能源的日益紧缺，人们长期以来一直致力于太阳能电池的研究，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为被普遍关注和重点发展的新兴产业。其中钙钛矿型太阳能电池以其高效、导电性能优异等特点备受瞩目。钙钛矿型太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，即是将染料敏化太阳能电池中的染料作了相应的替换，结构为ABX₃。

钙钛矿太阳能电池的转化效率一直是大家致力于研究并突破的一个方向。本文面临的一个主要问题是在无机铯卤化铅钙钛矿型太阳能电池中，如何精确的控制钙钛矿结构薄膜中铯卤化物和铅卤化物的化学剂量比，还有对碱性卤代烃吸湿性的考虑。

【成果简介】

由台湾省国立清华大学Lin Haowu教授（通讯作者）带领的研究团队研究发现，带隙1.82 eV 的混合卤化物有助于将装置的功率转换效率提升至 11.8%，同样有助于提高高开路电压(1.13 V)，滞后小、性能优异的薄膜和设备的稳定性，相关的成果于2017年1月20日发布于ADVANCED MATERIALS杂质上，题目为：All-Vacuum-Deposited Stoichiometrically Balanced Inorganic Cesium Lead Halide Perovskite Solar Cells with Stabilized Efficiency Exceeding 11%。为了解决难以监测和控制气样行为卤化物的问题，制造具有良好效率的真空沉积钙钛矿型太阳能电池，研究者开发了连续真空沉积和化学气相沉积方法。通过集成真空升华孔和电子传输层，制备了全真空沉积太阳能电池。有化学计量学平衡的前体比率的设备比那些非化学计量摩尔比的设备表现出更优异的性能，。

 [致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Lin Haowu的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

 图一：CsI薄膜的椭偏数据和真空室安装示意图

硅衬底上50nm厚的CsI薄膜未曝光和在空气中曝光3分钟的椭偏数据。插图：真空室的安装示意图。

图二：CsPbI₃薄膜的吸收光谱和J-V特性

a）不同比率的PbI₂ :CsI 在325℃退火一分钟后CsPbI₃薄膜的吸收光谱

b）在AM1.5G 光谱总照度下对应的J–V特性

图三：CsPbI₂Br薄膜显微镜图像、J-V特性、EQE光谱和电流密度及功率转换效率图

a）光学显微镜图像

b）CsPbI₂Br薄膜260℃退火时不同的时间的扫描电子显微镜图像

（比例尺：a：100µM b：2µM）

c）对应的J–V特性

d）在AM1.5G 光谱总照度下外部量子效率的光谱

e）CsPbI₂Br太阳能电池在0.88 V的偏压下有更好的电流密度和功率转换效率

图四：薄膜的二维掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图

a）沉积的薄膜；b）薄膜退火10s和 c）薄膜退火60s的二维掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图

d）GIWAXS的剖面来自方位环（c）的均值。Q x沿平面内方向（平行于膜表面），而Q y则沿平面外方向（垂直于膜表面）

图五：CsPbI₃和CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池对比图

CsPbI₂Br太阳能电池比真空沉积MAPbI₃钙钛矿太阳能电池在黑暗中存储封装时PCE有更长期的稳定性。CsPbI₂Br和MAPbI₃钙钛矿太阳能电池的PCEs初始值分别为11.8和17.6%。

插图：CsPbI₃（左）和CsPbI₂Br（右）钙钛矿太阳能电池2周后的对比图。

【小结】

一种常用的真空沉积技术制备钙钛矿薄膜太阳能电池是用铯卤化物代替有机卤化物。通过保护薄膜以防止暴露在空气中进行整个沉积和测量，得到高度精确的铯卤化物薄膜厚度和校准工具因子。前体化学计量比的精确控制是设备性能的关键。通过采用真空沉积 ETLs 和 HTLs，制备了高效全真空沉积铯-基钙钛矿型太阳能电池。化学平衡的CsPbI₃太阳能电池提供最高9.4%的PCE。在引入Br之后，在高开路电压1.13 V 、J_SC为15.2 mA cm ⁻²的条件下PCE进一步提高到11.8%。CsPbI₂Br装置也具有稳定的PCE值为11.5%，和J-V扫描效率十分接近。为无机前体用于高效真空沉积钙钛矿设备提供了典范。

文献链接：All-Vacuum-Deposited Stoichiometrically Balanced Inorganic Cesium Lead Halide Perovskite Solar Cells with Stabilized Efficiency Exceeding 11%（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201605290）

本文由材料人新能源组 yuyuyu 供稿，材料牛编辑整理。

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