Nano lett.：银掺杂的有机-无机杂化钙钛矿二维异质结薄膜太阳能电池

【引言】

基于有机-无机杂化钙钛矿活性材料的太阳能电池具有的化学通式为AMX₃，A代表Cs, CH₃NH₃ (MA),或者HC(NH₂)₂ (FA), M代表Pb 或者 Sn, X 代表卤素Cl, Br, I。传统质子型有机-无机钙钛矿MAPbI₃具有四方结构和1.4 eV- 1.6 eV的能带宽度，其中通过元素取代MA,Pb或者I位置的元素能够合成一类的钙钛矿结构。Ab initio计算法表明，钙钛矿的电子结构主要取决于Pb，I外层轨道电子，有机官能团MA在其中并不发挥作用。因此Pb和I位置的元素取代能够调控材料的光吸收效率，能带宽度以及载流子扩散长度。最近，Mojtaba Abdi-Jalebi等人报道了在细观钙钛矿结构中的银掺杂，材料的能量转换效率（PCE）并不高，银离子在其中的角色与Cl类似，仅仅起到优化氧化钛骨架表面覆盖，降低取代光吸收能带宽度，但其确切机理尚且不明。

【成果简介】

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的陈立桅团队研究了在有机-无机杂化钙钛矿薄膜异质结光伏装置里Pb位置用Ag取代的效果。Ag取代之后不仅几乎对晶体结构没有破坏，而且显著地优化了薄膜表面和结晶度。掺杂后的MAPbI₃类型材料的能量转换效率从16.0%提升到18.4%，MAPbI_3-xCl_x的效率从11.2%提升到15.4%。

【图文导读】

图1 MAPbI₃在Ag掺杂含量从0%到5.0%变化时对应的XRD谱图

银掺杂是根据Ag/（Pb+Ag）的摩尔比决定。薄膜表现为四角形结构，最大衍射峰强的样品中Ag含量为2.5%。

图2 银掺杂的MAPbI₃的表面电子图像

样品中的银掺杂量分别为0%（a）,0.5%（b），1.0%（c），2,5%（d），5.0%（e）。标尺长度为1.0um，薄膜的厚度大约为300 nm。

图3 X射线吸收的精细结构和拟合图像。

1. X射线吸收的精细结构，MAPbI_3-x样品里Pb的L边缘图像（b）和Ag的K边缘（c），在b-c的图像中，黑色图线表示的是实验数据，红色图线是拟合数据。符号N和R分别表示的是配位数（碘离子的数量）和价键长度。

图4 材料的紫外吸收光谱和标准化稳态发光光谱

（a）Ag掺杂的MAPbI₃在玻璃基底上的吸收光谱（坐标轴左侧）和标准稳态光致发光谱图（坐标轴右侧）。（b）Ag掺杂的MAPbI₃时间分辨的光致发光光谱。

图5材料的能级和电化学分析

紫外光电子能谱（UPS）（a）以及Ag掺杂的MAPbI₃的能级谱图（b）。（c）Ag掺杂的MAPbI₃CV组装成ITO/NiOx/钙钛矿/富勒烯衍生物/Ag结构之后所测CV的Mott-Schottky分析（紫色实线）。

图6 材料的光能转换测试

（a）Ag掺杂的MAPbI₃组装成ITO/NiOx/钙钛矿/富勒烯衍生物/Ag器件，在1.5G的光照强度下，以0.1V/s的扫速测得的J-V曲线。实心符号是实验数据，实线部分是拟合曲线。（b）对应的外观量子效率曲线。

【小结】

团队展现了一种Ag掺杂的有机-无机杂化平面钙钛矿薄膜结构太阳能电池，通过将Pb²⁺部分用Ag⁺取代，对薄膜的形貌，结晶度和载流子动力学进行了优化，调节了材料的费米能级，最终实现了能量转换效率的提高，对MAPbI₃类型材料，能量效率从16.0%提升至18.4%，对MAPbI_3-xCl_x能量效率从11.2%提升至15.4%。

原文链接：Ag-Incorporated Organic-Inorganic Perovskite Films and Planar Heterojunction Solar Cells （Nano lett.，2017，DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00847 ） 

本文由材料人新能源学术组东海木子供稿，材料牛整理编辑。

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