基于CsPb0.9Sn0.1 IBr2的全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池展示出效率和穩(wěn)定性的提升

丁黎明 ，程一兵 ，唐江

1國(guó)家納米科學(xué)中心，北京 100190

2武漢理工大學(xué)，材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070

3 Department of Materials Science and Engineering, Monash University, Victoria 3800, Australia

4華中科技大學(xué)，武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

圖；(c) 基于不同CsMX3材料的全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能帶結(jié)構(gòu)，紅色虛線框中顯示的是CsPbBr3、CsPb IBr2和CsPb0.9Sn0.1 IBr2的能帶位置；(d，e) 基于CsPbBr3、CsPb IBr2和CsPb0.9Sn0.1 IBr2的全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的(d) J–V圖和(e) IPCE譜和積分電流密度；(f) 從50個(gè)單獨(dú)的CsPb0.9Sn0.1 IBr2基全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池測(cè)得的光電轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)圖

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是一種非常有前景的新型光伏器件。近年來，其光電轉(zhuǎn)換效率的最高記錄已經(jīng)從3.8%迅速上升到22.1%1–5。常見的有機(jī)-無機(jī)雜化鹵化物鈣鈦礦材料的通用化學(xué)式為ABX3，其中A位點(diǎn)通常是有機(jī)陽(yáng)離子(如甲基銨(MA+)或甲脒(FA+))，B位點(diǎn)通常是Pb2+，X位點(diǎn)通常是鹵素陰離子，這使其具有適當(dāng)?shù)膸逗蛷?qiáng)的吸光性能。然而，由于雜化鈣鈦礦和空穴傳輸材料(HTM s)中的有機(jī)成分在外界環(huán)境壓力(如水分、氧氣、熱和紫外線等)下的穩(wěn)定性較差，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用仍有待科研人員的進(jìn)一步努力5–7。

為了提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，一種可能的解決方案是完全摒棄不穩(wěn)定的有機(jī)成分。因此，基于銫金屬鹵化物(CsMX3，M = Pb，Sn；X =I，Br，Cl)的無機(jī)鈣鈦礦對(duì)于制備下一代高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有巨大的潛力。2016年底，南京大學(xué)金鐘教授、劉杰教授團(tuán)隊(duì)提出了基于無機(jī)鈣鈦礦和納米碳電極的“全無機(jī)”鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新概念8,9。研究發(fā)現(xiàn)，基于 CsPbBr3和碳電極的全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，摒棄了不穩(wěn)定的有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦，也無需昂貴的空穴傳輸層和貴金屬電極，是首個(gè)完全以無機(jī)材料構(gòu)成的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其性能非常穩(wěn)定，制備方便，無需在手套箱中操作。這種全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在未封裝的情況下，在90%–95%相對(duì)濕度的空氣中存放 3個(gè)月性能無衰減，可以耐受?22至100 °C的極端溫度范圍。由于無需昂貴的 HTM s和貴金屬電極，器件成本也大大降低。雖然第一代無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率只達(dá)到6.7%，但給解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性難題提供了一條新的思路。

由于CsPbBr3的帶隙較寬(～2.3 eV)，其光電轉(zhuǎn)換效率比較低。因此，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授、劉杰教授課題組嘗試通過能帶工程對(duì)無機(jī)鈣鈦礦材料進(jìn)行能隙調(diào)控，以進(jìn)一步提升其光電性能。最近，該團(tuán)隊(duì)提出了一種混合Pb/Sn離子、混合I/Br離子的無機(jī)鈣鈦礦材料CsPb0.9Sn0.1IBr2的合成策略10。在無需手套箱或濕度控制的大氣環(huán)境中，通過簡(jiǎn)便的兩步溶液法制備了具有1.79 eV的合適帶隙的新型無機(jī)鹵化物鈣鈦礦CsPb0.9Sn0.1IBr2，通過引入 Sn2+和 I?離子，將導(dǎo)帶底(CBM)和價(jià)帶頂(VBM)的位置調(diào)節(jié)到了合適的能量水平?；?CsPb0.9Sn0.1IBr2和碳對(duì)電極的全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，完全摒棄了不穩(wěn)定的有機(jī)成分和貴金屬電極，并展現(xiàn)出1.26 V的高開路電壓和高達(dá)11.33%的光電轉(zhuǎn)換效率，這在現(xiàn)有的基于CsMX3鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池中處于領(lǐng)先水平。此外，這種全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、耐熱(100 °C)和耐濕性。該工作近期在Journal of the American Chem ical Society上在線發(fā)表10。該研究表明，通過能帶工程設(shè)計(jì)新的無機(jī)鈣鈦礦材料以提高全無機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的綜合性能是可行的。

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