Science:全无机钙钛矿太阳能电池-低温稳定的CsPbI3立方相


【引言】

有机无机杂化钙钛矿(ABX3)自2009年首次用于光伏发电器件以来受到广泛关注,发展至今已实现22%能量转化效率,与现今最好的薄膜硫族化物和硅器件势均力敌。但是,有机无机杂化钙钛矿在自然环境下却不能长期稳定存在。全无机铅卤化物钙钛矿CsPbI3不含有挥发性有机组分,其立方相具有最合适的带隙(Eg=1.73 V),是理想的替代品,然而在320℃下易转变为正交晶系。为了解决这一问题,已有文章报道采用Br-取代I-,将相变温度降低至100℃,但是这却导致带隙变宽,不利于能量转化。

成果简介

2016年10月7日,Science发表了一篇关于钙钛矿太阳能电池的文章,题目为“Quantum dot-induced phase stabilization of α-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics”。该文章的通讯作者是美国国家可再生能源实验室Joseph M. Luther教授。类似有机金属卤化物的全无机钙钛矿,立方相α-CsPbI3具有理想的带隙,但是一般只在高温下稳定存在。Joseph M. Luther教授课题组合成在低温下稳定存在的α-CsPbI3量子点,可用于高效太阳能电池。

在本文中,作者主要改进α-CsPbI3量子点的制备方法并开发纯化工艺。巧妙利用表面活性剂包覆α-CsPbI3量子点,而后纯化的量子点在空气中甚至低温下稳定存在数个月,并在可见光下具有可调谐带隙。进一步制备成薄膜将其应用于太阳能电池,表现出超过10%的能量转化效率和稳定输出功率,其开路电位高达1.23 V。这些器件还能用于低导通电压和可调谐发射的发光二极管。

【图文导读】

1CsPbI3量子点表征

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(A) 分别在不同温度(a)60℃(3.4 nm)、(b)100℃(4.5 nm) 、(c)140℃(5 nm)、(d)150℃(6.8 nm) 、(e)170℃(8 nm)、(g)180℃(9 nm)、(f)185℃(12.5 nm)下合成的CsPbI3量子点的归一化紫外-可见吸收光谱和照片。括号中数字是从TEM观测到的平均粒径。

(B) 在紫外光照射下(A)中量子点的归一化光致发光光谱和照片。

(C) 180℃下合成的CsPbI3量子点的高分辨TEM图。

(D) 不同温度下合成的CsPbI3量子点的XRD图,可确认它们均为CsPbI3的立方相。

2CsPbI3量子点的相稳定性

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(A-B) 分别是170℃合成的CsPbI3量子点并在空气中储存60天的粉末XRD图谱和在370 nm归一化的紫外-可见吸收光谱。插图可看到激子峰发生轻微蓝移。

(C) CsPbI3量子点XRD图谱的Rietveld精修拟合,说明是纯净的CsPbI3立方相。

3CsPbI3量子点薄膜

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(A) 100℃、150℃、180℃合成的CsPbI3量子点在溶液(蓝色)和成型薄膜上(黑色)的紫外-可见吸收光谱(实线)和光致发光光谱(虚线)。

(B) FTIR光谱显示CsPbI3量子点薄膜成型时(黑色)和MeOAc处理后(红色)的红外透射。

4CsPbI3光电子器件

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(A-B) 分别是CsPbI3光伏电池的示意图(含量子点的TEM图)和SEM截面图。

(C) 在空气中历经15天储存的器件的电流密度-电压曲线。黑方块表示器件在电压0.92V下稳定的输出功率。

(D) 器件的外量子效率(黑色)和积分电流密度(蓝色)。

(E) CsPbI3光伏电池(170℃合成的CsPbI3量子点)在正向偏压下的电致发光光谱。插图是发光器件的照片。

(F) 分别是采用170℃和180℃合成的CsPbI3量子点组装的完整器件的光致发光(虚线)和电致发光(实线)光谱,说明在完整器件上的量子尺寸效应。

【小结】

Joseph M. Luther教授课题组利用纳米技术,将通常情况下常温不能稳定的CsPbI3立方相实现稳定的转变,为全无机钙钛矿太阳能电池的发展带来了新的契机。这一方法也为LEDs等其他领域的材料设计提供另一种机理。

文献链接Quantum dot–induced phase stabilization of α-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics   (Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aag2700 )

本文由材料人编辑部新能源学术组 蒜头 供稿,点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号,微信搜索“新能源前线”或扫码关注。

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