张京、尚明辉、诸跃进、韩礼元Adv. Energy Mater. ：低毒且高效率的无机钙钛矿太阳能电池助力环境友好的应用

【引言】

无机钙钛矿由于具有优异的高温稳定性和光电性能，因此用作钙钛矿太阳能电池的光吸收层一直是研究的热点。其中，基于Cs的卤化铅钙钛矿CsPbX₃ (X = I, Br, Cl)的载流子迁移率与杂化钙钛矿相当，光电转换效率最近几年一直在增加。Pb的毒性阻碍着钙钛矿太阳能电池的环境友好的应用。因此，制备less-Pb的CsPbX₃ 钙钛矿太阳能电池，同时保持高光电转换效率，是一项巨大的挑战。Pb-Sn共混的钙钛矿虽然有效降低铅含量，但是Sn²⁺的不稳定对电池长期稳定性造成负面影响。因此探寻其它稳定元素降低铅元素含量的工作具有很大意义。

与此同时，具有低缺陷态的、高品质的无机钙钛矿薄膜极大地提高了光电转换效率，它的制备最近成为关注的焦点。外来元素杂化Pb位的无机钙钛矿薄膜结晶过程和CsPbX₃ 薄膜显著不同，且不易制备大晶粒、少缺陷的连续薄膜。因此，高品质的、less-Pb的无机钙钛矿薄膜的制备亟待被特别关注。

【成果简介】

CsPbI₂Br中的10%的Pb被Zn取代后，钙钛矿太阳能电池的效率由原来的11.8%提高到13.6%。具有大晶粒的高品质CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br极大地减少了钙钛矿晶界产生的陷获态，促进了电荷的传输，轻微地减少能隙，极大地促进了钙钛矿太阳能电池性能的提高。CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br还改善了钙钛矿太阳能电池的稳定性。相关成果由宁波大学的张京和诸跃进、宁波工程学院的尚明辉和上海交大的韩礼元（共同通讯作者）等人发表在近期的Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

Figure 1. a) CsPb_1−xZn_xI₂Br薄膜的XRD图；b) 放大的(100)衍射峰；c) CsPb_1−xZn_xI₂Br的结构； d)CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br的 Pb 和 Zn的EDS图；e) Zn对晶界进行调控的示意图；f) CsPb_1−xZn_xI₂Br薄膜的SEM图

Figure 2. a,b)经过不同温度加热的CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的原位XRD图；c)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的GIWAXS图；d) 成核和晶体生长的机理的示意图

Figure 3. a)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的AFM和C-AFM图； b)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的高度和导电率； c) CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的陷获态密度和电荷传输性能的测定；d) CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的TRPL谱图。

Figure 4. a)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的UV–vis吸收谱图和稳态PL谱图；b) CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的UPS谱图；c)CsPbI₂Br薄膜和 CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜的能带结构；d)  (CsPbI₂Br)₈ Zn的能态。

Figure 5. a) CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池和CsPbI₂Br太阳能电池的电流密度-电压曲线，内图是CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池的截面结构；b) CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池和CsPbI₂Br太阳能电池的EQE谱图；c)  CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池和CsPbI₂Br太阳能电池的 TPC；d) CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池和CsPbI₂Br太阳能电池的TPV ；e)CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池和CsPbI₂Br太阳能电池的效率分布；f)CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池和CsPbI₂Br太阳能电池的稳定性

【小结】

CsPbI₂Br中的10%的Pb被Zn取代，从而形成CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜。CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br薄膜有助于钙钛矿太阳能电池的能量损耗的大量减少和V_oc的提高，也有助于电荷的传输。因此，CsPb_0.9Zn_0.1I₂Br太阳能电池的效率更高。这项工作强调了用无毒、储备丰富并且性质稳定的元素获得高效的无机钙钛矿太阳能电池。

【作者介绍】

张京博士，第一通讯作者，与课题组领导诸跃进以及成员胡子阳老师自2013年至今开展了钙钛矿太阳能电池的研究。在钙钛矿太阳能电池器件的制备、性能、稳定性与机理方面积累了扎实的研究基础。以第一作者和通讯作者在Adv. Energy. Mater.，ACS Eenergy Lett.，Chem. Commun.等主流期刊发表SCI论文50余篇。

【课题组其他优质文献】

1. n-Type Doping and Energy States Tuning in CH3NH3Pb_1-xSb_2x/3I₃ Perovskite Solar Cells. Acs Energy Letters 2016, 1, 535.
2. Extrinsic Movable Ions in MAPbI3 Modulate Energy Band Alignment in Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials 2018, 8, 1701981.
3. In Situ Grain Boundary Functionalization for Stable and Efficient Inorganic CsPbI2Br Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials 2018, 8, 201801050.

文献链接：Pb‐Reduced CsPb0.9Zn0.1I2Br Thin Films for Efficient Perovskite Solar Cells（Adv. Energy Mater.，2019，DOI:10.1002/aenm.201900896 ）

本文由kv1004供稿。