Advanced Energy Materials:醋酸根离子掺杂制备高开压CsPbI2Br太阳电池

合适的离子掺杂可以有效控制钙钛矿薄膜的结晶过程、调节钙钛矿材料的能带结构,钝化钙钛矿晶体的缺陷, 最终实现钙钛矿电池光电转换效率(PCE)和稳定性的提高。研究发现钙钛矿前驱体溶液中引入醋酸根(Ac)离子可以制备表面光滑且无针孔的无机-有机杂化钙钛矿薄膜,获得具有较高开路电压(Voc)的钙钛矿电池。然而,Ac离子的掺杂是如何影响钙钛矿材料的光电性能,实现器件电压提高的机理目前尚不清楚。

陕西师范大学刘治科教授、刘生忠教授(共同通讯作者)采用Ac对CsPbI2Br钙钛矿进行了掺杂,获得了高效稳定的CsPbI2Br钙钛矿电池,并对Ac掺杂对器件电压提升机理进行了深入研究。研究发现,Ac可以部分取代CsPbI2Br中的I,制备CsPbI2−xBr(Ac)x钙钛矿材料, Ac掺杂的作用可以归纳为以下三点:

(1) Ac掺杂可以改变CsPbI2Br薄膜的形貌,获得具有纳米织构化表面的钙钛矿薄膜,这种结构一方面可以提高表面能,提高无机钙钛矿材料和器件的稳定性;另一方面可以增加钙钛矿层与空穴传输层的接触面积,便于电荷的传输。

(2)Ac掺杂可以改变CsPbI2Br材料的能带结构,提高其薄膜的费米能级,进而增大了CsPbI2Br 电池的内建电场,提高电池的Voc

(3) Ac掺杂可以通过提高无机钙钛矿的容忍因子并与Pb2+离子形成很强的相互作用来稳定α相钙钛矿结构。最终,基于Ac掺杂的CsPbI2Br电池的光电转换效率达到15.56%,Voc为1.30V。在空气中放置14天后,未封装器件的效率仍能保持其初始值的98%。

最后,作者利用密度泛函理论对Ac掺杂CsPbI2Br钙钛矿进行了能带结构的计算。计算结果表明,少量Ac的掺杂对本体CsPbI2Br钙钛矿的带隙影响很小,这与实验结果一致;同时对CsPbI2−xBr(Ac)x钙钛矿结构中的化学键进行了计算,计算结构表明,Ac离子与Pb2+离子具有比Pb-I和Pb-Br具有更强的相互作用,这与稳定性测试结果一致。

相关论文发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201902279)上。题为“A Novel Anion Doping for Stable CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with an Efficiency of 15.56% and an Open CircuitVoltage of 1.30 V”。