河南大学高跃岳副教授最新Solar RRL: 真空辅助低温生长策略制备高效稳定的无机钙钛矿太阳能电池

【导读】

近日，河南大学光伏材料省重点实验室高跃岳副教授，岳根田副教授，齐齐哈尔大学董国华副教授与西北工业大学涂用广副教授合作提出采用动态真空辅助低温生长策略制备高质量CsPbIB₂薄膜，并应用于构筑高性能全无机钙钛矿电池，该工作以" Efficient and Stable All-Inorganic CsPbIBr₂ Perovskite Solar Cells Enabled by Dynamic Vacuum-Assisted Low-Temperature Engineering"为题，发表在期刊Solar RRL,链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202100839。

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池作为新一代可再生能源技术，因其优良的吸收系数、低激子结合能和易于溶液技术制备等优点而备受关注。经过研究人员的不断努力，杂化钙钛矿太阳能电池在短短几年内光电转换效率从3.8%迅速提升至25.7%，甚至可以与商用硅太阳能电池相媲美。然而，杂化钙钛矿太阳能电池的活性层含有机离子（CH₃NH₃⁺, CH₃(NH₂)₂⁺）对水氧较为敏感、不稳定且易挥发，对其大规模商业化产生不利影响。最近，采用无机Cs⁺取代杂化钙钛矿中有机阳离子构筑全无机钙钛矿太阳能电池成为解决杂化钙钛矿太阳能电池稳定性欠佳的有效途径。在众多全无机钙钛矿材料中，CsPbIBr₂因其合适的带隙和出色相稳定性间的调谐而备受关注。然而，传统方法制备的CsPbIBr₂薄膜往往结晶过快导致形貌不可控，薄膜质量差，易形成针孔产生漏电而限制其器件性能。

鉴于上述研究现状，河南大学高跃岳副教授与硕士生黄军意提出了一种动态的真空辅助低温生长策略（VAST）用来制备高效、稳定的全无机钙钛矿太阳能电池。团队指出通过调控薄膜退火时的真空度和退火温度可有效控制CsPbIBr₂薄膜的形貌和结晶质量。经过多方位优化，通过VAST策略可以实现无针孔、高结晶度CsPbIBr₂薄膜制备，进而实现了电荷提取和缺陷态密度弱化的双重功效。特别的是，基于VAST策略制备的器件效率由空白的9.00%可提升至11.01%，其中更是展现出75.31%的高填充因子，也是CsPbIBr₂钙钛矿电池中报道的最高值。此外，优化器件的热稳定性和空气稳定性均得到进一步提高。该工作表明VAST策略为制备高效稳定全无机钙钛矿电池提供了新的路径。

【图文解读】

Scheme1. The schematic illustration of the dynamic vacuum-assisted low-temperature engineering for preparing VALT-CsPbIBr₂ film.

Figure 1. a,d) SEM, b,e) AFM, and c,f ) KPFM images of HT-CsPbIBr₂ film, (a-c) and VALT-CsPbIBr₂film (d-f), respectively.

Figure 2. a) XRD patterns; b) energy level diagram of functional layers in PSCs of this work; c) steady PL spectra with quartz glasses as substrate; d) TRPL spectra with quartz glasses as substrate; e,f ) time dependence of absorption spectra in the ambient environment (25℃, 40–50% relative humidity), where two samples correspond to HT-CsPbIBr₂ and VALT-CsPbIBr₂, respectively.

Figure 3. a) Schematic illustration and b) cross-sectional SEM image of VALT-CsPbIBr₂ PSCs; c) J-V curves measured from the reverse direction, d) EQE spectra coupled with J_int, e) steady-state output of PCE at the maximum power point, and f ) statistical histogram of PCE from 20 individual HT-CsPbIBr₂ PSCs and VALT-CsPbIBr₂ PSCs, respectively.

Figure 4. a) TPC, b) P_light depended on J_SC, c) TPV, d) P_light depended on V_OC, e) SCLC results of single-carrier devices with the structure of ITO/ZnO/CsPbIBr₂/PCBM/Ag, and f ) Mott-Schottky curves of PSCs based on HT-CsPbIBr₂ and VALT-CsPbIBr₂, respectively.

Figure 5. Time-dependent variations of normalized PCE of the unencapsulation HT-CsPbIBr₂ PSCs and VALT-CsPbIBr₂ PSCs a) storing in the ambient environment (25-28℃, 50% relative humidity) and b) continuously heated at 80 ℃ in the glovebox (H₂O < 1 ppm, O₂ < 1 ppm), respectively; photovoltaic parameters and fabrication parameters of CsPbIBr₂ PSCs via different methods, where c) plots of PCE against Voc, d) plots of FF against PCE, e) plots of PCE against the temperature of ETL, and f ) plots of PCE against the temperature of the photoactive layer

河南大学为论文第一完成单位，硕士生黄军意和何盛华为第一论文共同作者，高跃岳副教授为第一通讯作者，河南大学岳根田副教授和齐齐哈尔大学董国华副教授为论文共同通讯作者。此外，该工作受到西北工业大学涂用广副教授的大力指导与支持。研究工作受到国家自然科学基金项目、国家博士后面上基金项目、河南省自然科学基金等资助。

【延伸阅读】

高跃岳

河南大学光伏材料省重点实验室研究员，硕士生导师，毕业于哈尔滨工业大学，师从张勇研究员/杨玉林教授，主要研究方向为有机太阳能电池、全无机钙钛矿太阳能电池、染料敏华太阳能电池。目前以第一或通讯作者在Nano Energy，Small，Journal of Materials Chemistry A，Journal of Materials Chemistry C，Solar RRL，Macromolecules等国际SCI期刊发表论文15篇。

岳根田

河南大学光伏材料省重点实验室研究员，硕士生导师，毕业于华侨大学，师从吴季怀教授，主要研究方向为染料敏华太阳能电池、超级电容器。目前以第一或通讯作者在Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Physical Chemistry C, Electrochimica Acta等国际SCI期刊发表论文40余篇。

董国华

齐齐哈尔大学副教授，硕士生导师，毕业于哈尔滨工业大学，师从杨玉林教授，主要研究方向为无机纳米材料制备及光电催化，薄膜太阳能电池的性能优化，生物质材料应用功能性转化。目前在Adv.Energy Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chemsuschem, Electrochemica Acta, Applied surface science等国际SCI期刊发表论文20余篇。

涂用广

西北工业大学柔性电子研究院副教授，硕士生导师，毕业于北京大学，师从周欢萍教授，主要研究方向为铅卤钙钛矿薄膜的制备优化、高效钙钛矿光伏器件的构筑、钙钛矿光伏器件在特殊领域（临近空间）的应用探索、柔性光伏器件、无机半导体纳米材料。目前在Advanced Materials，iScience, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy等国际重要学术刊物上发表学术论文46篇。