通過表面鈍化工程增強全無機碘化銫鉛鈣鈦礦太陽能電池性能

2021-01-06 OFweek維科網

引言

由於傳統的有機-無機雜化鈣鈦礦材料存在著不可避免的熱/溼不穩定性，導致器件在高溫或者高溼度條件下性能衰退嚴重，阻礙了鈣鈦礦太陽能電池商業化的進程。在這樣的大背景下，純無機銫鉛滷化物鈣鈦礦具有良好的環境穩定性和優異光伏性能便自然而然地成為商業化鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點。常用的無機銫鉛滷化物鈣鈦礦是碘化銫鉛，但是碘化銫鉛鈣鈦礦存在兩個相，一個是低溫??相(正交晶相)和高溫α相（立方晶相）。這兩個相的帶隙分別是2.82 eV和1.7 eV，只有高溫立方相的碘化銫鉛才是理想的吸光材料可用於高效率的鈣鈦礦太陽能電池。因此如何在常溫下使得碘化銫鉛鈣鈦礦穩定在立方相仍然是個巨大的挑戰，也是製備穩定高效碘化銫鉛鈣鈦礦太陽能電池的關鍵所在。

成果簡介

近日，山東大學尹龍衛教授等人在Nature. Commun. 上發表了一篇題為「Surface passivation engineering strategy to fully-inorganic cubic CsPbI3 perovskites for high-performance solar cells」的文章。該文章通過聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)誘導表面鈍化過程獲得了長期穩定存在的立方晶相碘化銫鉛，其電池效率高達10.74%，並且具有優秀的環境穩定性。

圖文簡介

圖1：碘化銫鉛薄膜和碘化銫鉛丐太陽能電池的結構和形貌表徵

(a). 不同晶相的碘化銫鉛薄膜的XRD譜；

(b). 正交晶相和立方晶相的碘化銫鉛的老化圖；

(c, d). 正交晶相和立方晶相的碘化銫鉛薄膜的SEM圖；

(e). 無機碘化銫鉛鈣鈦礦太陽能電池的橫截面SEM圖。

圖2：碘化銫鉛的傅立葉轉換紅外光譜和核磁共振譜

(a). 純PVA、在PVA下合成的碘化銫鉛薄膜以及異丙醇處理的碘化銫鉛薄膜的傅立葉轉換紅外光譜；

(b, c).  PVP以及碘化銫鉛-PVP的1H和13C的核磁共振譜。

圖3：PVP誘導立方晶相碘化銫鉛的穩定性機制

(a). 碘化銫鉛和PVP化學分子鍵連接示意圖；

(b). 碘化銫鉛中的PbI2和Cs離子在DMF/DMSO溶劑中自發地與PVP分子組裝和相互作用，並保持亞穩態；

(c). 在PVP分子的作用下，CsPbI3納米晶形成於PVP分子上，並保持相對獨立和穩定；

(d). PVP通過N/O鍵和Cs鍵結合在碘化銫鉛晶體表面。

圖4：立方晶相碘化銫鉛鈣鈦礦薄膜的光學表徵以及器件性能表徵

(a). 立方晶相碘化銫鉛鈣鈦礦薄膜的紫外-可見吸收光譜；

(b). 在玻璃襯底上沉積正交和立方晶相碘化銫鉛薄膜的時間分辨光致發光光譜；

(c). 器件的IPCE曲線以及短路電流積分；

(d). 立方晶相碘化銫鉛鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線；

(e). 30個器件的性能統計圖。

圖5：器件的穩定性測試

(a). 無密封器件暴露在溼度為45 - 55%條件下的效率演化；

(b). 不同溫度下器件對應的效率；

(c). 無密封器件暴露在溫度為60℃條件下的效率演化。

小結

研究者通過聚合物PVP鈍化方法，成果獲得了高效穩定的立方晶相碘化銫鉛鈣鈦礦薄膜太陽能電池。器件效率高達10.74%，並且具有良好的穩定性。該成果為推動純無機鈣鈦礦的商業化進程具有重要意義。

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