Solar RRL:CsBr修饰全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池——有效提高器件效率和稳定性的新手段

近年来,钙钛矿材料在光伏领域大放异彩。优良的光电性质和高达24.2%的光电转换效率使得有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池成为当前研究热点之一。然而,有机-无机杂化钙钛矿中有机部分的易挥发性导致材料的本征热不稳定性,为器件的实际应用带来了极大的困难。鉴于此,全无机钙钛矿太阳能电池以其优异的热稳定性引起了研究人员的广泛关注。

在一众全无机钙钛矿材料中,CsPbX3(X=Cl, Br, I)率先跻身高效率PSCs的行列。CsPbBr3拥有优异的稳定性,但受宽带隙(2.3 eV)所限,器件效率提升幅度缓慢。CsPbI3的带隙(1.73 eV)较窄,但其湿度敏感性较高,无法在室温下空气中维持稳定的黑相。两相比较,拥有合适带隙(1.9 eV)和一定相稳定性的CsPbI2Br材料吸引了科研人员的注意。由于较大非辐射复合损失的存在,相较于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的低开压损失(~0.39 eV),全无机CsPbI2Br 钙钛矿太阳能电池仍有相当大的提升空间。

北京大学物理学院曲波课题组通过在钙钛矿前驱液中掺入少量的Pb(Ac)2,提高了钙钛矿的结晶度,使用两步退火的方法制备了平整紧致、晶粒大(微米级)、结晶性好的CsPbI2Br薄膜。他们在此CsPbI2Br薄膜上蒸镀CsBr,对钙钛矿/空穴传输层界面进行有效修饰。SEM结果表明热蒸发的CsBr聚集在CsPbI2Br薄膜的晶界处,填补了晶界处的缺陷,实现了对接触界面的有效钝化。在荧光测试中,CsBr修饰 的CsPbI2Br薄膜(CsBr-CsPbI2Br)表现出更强的荧光强度和更长的荧光寿命,表明其中非辐射复合损失得以有效减少。UPS结果表明,相较于纯CsPbI2Br薄膜,CsBr-CsPbI2Br的能带出现了轻微弯曲,这种弯曲可以增大p-n结两侧准费米能级的距离,使价带顶的位置上移,有利于空穴的提取。微区共聚焦荧光多维光谱和微区拉曼光谱的结果表明CsBr与钙钛矿中过量的Pb反应生成了富溴钙钛矿(CsPbIxBr3-x,x<2),这种富溴钙钛矿可以对下层的钙钛矿进行有效保护,极大地提升了CsPbI2Br的相稳定性。通过进一步器件性能优化,曲波课题组最终获得了开路电压1.271 V,能量转换效率高达16.37%的CsPbI2Br全无机钙钛矿太阳能电池。值得一提的是,在室温下储存1368小时后,该太阳能电池的能量转换效率仍能稳定在初始效率的86%。

研究者相信,上述工作为全无机钙钛矿CsPbI2Br的光伏性能研究指明新的方向,并为制备低成本,高效率,长工作寿命的全无机钙钛矿太阳能电池提供了一种新思路。相关研究成果“High Efficiency 16.37% of Cesium Bromide – passivated All-inorganic CsPbI2Br Perovskite Solar Cells”发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900254)上。