Solar RRL:原位还原Sn4+制备效率超过20%的窄带隙锡铅共掺钙钛矿太阳能电池

近几年来,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电性能,简单的制备工艺以及低廉的材料成本引起了全世界的广泛关注,被认为是未来最有可能商业化的新型光伏技术之一。经过全世界科研人员的努力,钙钛矿太阳能电池效率从2009年的3.8%飙升至现在的25.2%,已经接近于中带隙(~1.5eV)单节钙钛矿电池的 Shockely-Queisser (S-Q) 效率极限。构建全钙钛矿叠层太阳能电池已被证明为有可能打破S-Q效率极限的有效方法。锡铅共掺钙钛矿电池由于其带隙的连续可调可将其带隙调节至1.1-1.3eV,可作为窄带锡电池用于钙钛矿叠层电池的后电池。然而,锡铅共混钙钛矿电池由于Sn2+的易氧化性质,以及锡基钙钛矿薄膜结晶速率过快等因素导致其器件效率低、重复性差等问题,严重限制了钙钛矿叠层电池的发展。

浙江大学光电科学与工程学院姜庭明,杨旸等发现目前锡铅共掺钙钛矿电池效率低,重复性差的原因之一是由于商业化的高纯度(99.999%,trace metal)Sn2+源头材料SnI2仍然存在少量的寄生Sn4+99.999%的高纯度SnI2并不意味着Sn4+的纯度有99.999%,而是指包含所有价态的Sn元素(Sn2+与Sn4+)的纯度是99.999%. Sn4+的存在造成钙钛矿薄膜的电荷不平衡,导致薄膜形成P型半导体参杂,形成较多的缺陷中心,严重影响了器件的性能表现, 尤其是导致器件较大的电压损失。因此,他们提出在钙钛矿先驱体溶液中加入过量金属锡粉来对固有的Sn4+离子通过归中反应进行有效的还原(Sn+Sn4+=Sn2+)。XPS结果表明锡粉的加入使钙钛矿薄膜中Sn4+的比例明显降低。Sn4+比例的降低使钙钛矿薄膜的缺陷态密度从原来的7×1014 cm-3 降低至 4.34×1014 cm-3,从而使薄膜的荧光寿命从115 ns提高至701ns,增加了载流子的扩散距离以及被电荷传输层提取的概率,能更多地吸收太阳光波段的近红外光子,有助于提高钙钛矿叠层电池的电流。于此同时,钙钛矿薄膜的能级位置整体上移大约0.27eV,与电荷传输层PEDPT:PSS、C60能级位置更加匹配,更加有效得传输载流子。最终,研究者们获得了开路电压0.843V, 电压损失低至0.397V, 填充因子高达80.34%,效率20.7%的优异锡铅共掺钙钛矿太阳能电池。

研究者们相信此工作为制备超过20%效率窄带隙锡铅共掺钙钛矿太阳能电池提供了指导思路,为促进锡铅钙钛矿电池效率进一步提高以及全钙钛矿叠层电池的发展奠定了基础。相关研究成果“Realizing high efficiency over 20% of low-bandgap Pb-Sn alloyed perovskite solar cells by in-situ reduction of Sn4+”发表在Adanced Materials子刊Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201900467)上。