AEM：空气中低温原位制备稳定高效核壳结构CsPbI3钙钛矿太阳能电池

【引言】

  有机-无机杂化钙钛矿由于其优良的半导体性能，在光伏领域显示出巨大的潜力。然而，钙钛矿器件的不稳定性严重阻碍了其市场化进程。其中杂化钙钛矿中的有机部分（如甲铵、甲脒）容易与氧和水反应形成超氧化物和水合物，从而分解钙钛矿八面体，因此导致器件容易分解。

  无机钙钛矿不存在有机部分，因此具有更好的环境稳定性。目前，CsPbI₃具有合适的带隙（1.73 eV）被认为是高效钙钛矿太阳能电池的候选材料。 目前，低温（≤100°C）可加工的p-i-n太阳能电池正变得越来越有吸引力，因为其结构能够使其与柔性基板上的逐卷沉积兼容。因此，低温制备稳定的CsPbI₃薄膜构建p-i-n钙钛矿太阳能电池势在必行。研究人员提出了不同的方法来解决这一问题，例如聚合物模板，添加剂控制，离子掺杂，晶体调节和纳米晶预合成方法。除此之外，由于强量子限制效应和大表面/体积比作用下的高表面吉布斯能，纳米晶体胶体溶液中的 CsPbI₃晶体晶格具有更稳定的立方结构。然而，复杂的合成和纯化过程阻碍了纳米晶体直接组装成薄膜。此外，不良配体和不稳定晶格阻碍了纳米晶体器件的应用。

【研究进展】

  近日，首尔国立大学M.Choi教授和西安交通大学吴朝新教授（共同通讯作者）在Adv. Energy Mater. 上发表了一篇题为“Rational Core–Shell Design of Open Air Low Temperature In Situ Processable CsPbI₃ Quasi-Nanocrystals for Stabilized p-i-n Solar Cells”的文章。研究者提出了一种合理的低温可原位加工的CsPbI₃纳米晶体核壳结构合计方案。一方面，FPEAI作为一种可供选择的壳层配体提升了 CsPbI₃晶格键合力，并增强了相互纳米晶体间的电荷耦合。另一方面，利用化合物H₂PbI₄ (PbI₂·2HI)将二价离子Mn²⁺引入核晶格，从而抑制了固有陷阱。基于此，制备出了效率高达13.4%的p-i-n结构钙钛矿太阳能电池，未封装器件在空气中500小时可以保持92%的效率。

【图文简介】

图1 示意图

a) OAI和FPEAI配体约束纳米晶体之间的键合相互作用；

b) 基于不同PbI₂·xHI配合物(x=1,2)的二价Mn²⁺离子掺杂工艺；

c) CsPbI₃纳米晶薄膜原位组装示意图。

图2 表征

a ) 不同粉末材料的SEM图；

b) 不同粉末材料的XRD；

c) TGA测试；

d) XPS谱。

图3 对钙钛矿薄膜质量的调控

a) 不同调控的钙钛矿薄膜的SEM图；

b) 不同调控的钙钛矿薄膜的XRD；

c) 不同调控的钙钛矿薄膜的吸收谱；

d) 不同调控的钙钛矿薄膜的PL谱；

e) 不同调控的钙钛矿薄膜的瞬态PL；

f) 不同调控的钙钛矿薄膜的PL稳定性测试；

g) 不同调控的钙钛矿薄膜的XRD稳定性测试。

图4 器件性能表征

a) 能带图；

b) 器件截面SEM图；

c) 不同调控器件的开路电压、短路电流、填充因子和转换效率统计图；

d) J-V曲线及其MPP tracking；

e) Light soaking稳定性测试；

f) 环境稳定性测试。

【小结】

  该研究开发了一种制备稳定的CsPbI₃钙钛矿纳米晶的策略，获得了稳定高效的全无机CsPbI₃钙钛矿纳米晶薄膜太阳能电池器件。该研究为多用途无机钙钛矿纳米晶体的设计提供了一个合理的视角，为制备稳定的半导体器件提供了新的可能性。

文献链接：Rational Core–Shell Design of Open Air Low Temperature In Situ Processable CsPbI₃ Quasi-Nanocrystals for Stabilized p-i-n Solar Cells. 2019, Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002/aenm.201901787

本文由金也供稿。