Advanced Science:界面能级调控助力高效稳定的CsPbI2Br无机钙钛矿太阳能电池

近年来,金属卤化物钙钛矿太阳能电池发展迅猛,已成为新一代光伏技术最有希望的候选者之一,引起了极大的关注。然而,有机-无机杂化钙钛矿半导体材料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,追求高效率、低成本、长寿命的太阳能电池一直是科学家们为之奋斗的目标。(NH22CH +或CH3NH3 +等有机阳离子的部分或完全取代正成为实现稳定的钛矿太阳能电池的有效方法。尤其是具有Cs+作为A位阳离子的全无机钙钛矿(即CsPbX3,X = Cl,Br和I)具有巨大的潜力,可替代光伏应用中的有机无机杂化钙钛矿,因为CsPbI3和CsPbBr3钙钛矿即使在超过300℃的温度下,成分依然稳定。其中,CsPbI3带隙最窄吸光范围最广,但是它的相在空气环境中极不稳定,而CsPbBr3相虽稳定,但是带隙过宽,吸光范围窄,效率偏低。因此,以CsPbI2Br为代表的无机钙钛矿太阳能电池因具有其良好的耐热、耐湿特性以及高的载流子迁移率等特点得到了研究人员们的广泛专注。近些年,研究者们通过改善钙钛矿成膜,调控器件能级,以及钝化界面缺陷来优化CsPbI2Br钙钛矿器件性能。然而,依旧不尽人意的器件性能和高处理温度阻碍了它们在可行应用中的发展,是众多研究人员面临的一个艰难的挑战。

苏州大学功能纳米与软物质研究院唐建新课题组提出了一种通过掺杂经典碱金属碳酸盐Cs2CO3来调节溶胶-凝胶ZnO电子传输材料的界面能级排布和电荷输运性能的简便途径实现了钙钛矿太阳能电池性能的显著提升。在这项工作中,他们通过掺杂经典碱金属化合物(包括碳酸铯(Cs2CO3),氟化铯(CsF)和碳酸钾(K2CO3))来调整溶胶-凝胶衍生的ZnO电子传输材料的能级和电学性能。实验结果表明,Cs2CO3在三种掺杂物中对ZnO电子传输材料的掺杂效果最佳。适量掺杂Cs2CO3可以有效地调节ZnO电子传输材料的能级,提高电子传输性能。特别是掺杂Cs2CO3的ZnO相对于CsPbI2Br钙钛矿的导带引起能级偏移,从而将欧姆损耗降低到可以忽略。经过优化的钙钛矿太阳能电池的开路电压可以提高到1.28 V,并增加填充因子和短路电流。在刚性玻璃基底和柔性塑料基底上分别实现了16.42%和14.82%的最佳功率转换效率。通过在Cs2CO3掺杂的ZnO/CsPbI2Br界面上进行缺陷钝化,可以同时获得高的热稳定性,并且在85 ℃老化200小时后,仍保留了81%的初始效率,该工作为制备低成本、高效率、长寿命全无机钙钛矿电池提供了新的思路和技术途径。

相关文章“Interfacial Energy Level Tuning for Efficient and Thermostable CsPbI2Br Perovskite Solar Cells” 发表在Advanced Science (DOI:10.1002/advs.201901952)上。