Small:CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池外源离子分布诱导的电场效应

无机铯铅卤化钙钛矿具有较高的电子迁移率、优异的热稳定性(> 300℃)和良好的光电性能。CsPbIBr2的禁带宽度为2.10 eV,相比较于其他类型的无机钙钛矿(CsPbI3和CsPbBr3),CsPbIBr2更加完美地平衡了带隙与稳定性的关系,使其在具备合适带隙的前提下拥有更好的稳定性。CsPbIBr2在叠层电池串联、光分解水和室内光电领域具有巨大潜力。

目前,基于CsPbIBr2的钙钛矿太阳能电池(PSCs)内部非辐射复合严重,导致其光电转换效率(PCE)远远落后于理论效率。因此,为了提高CsPbIBr2 PSCs的光伏性能,需要不断引入优化策略,如添加剂工程、界面工程等。目前,添加剂工程已取得蓬勃发展,涌现出大量可选的添加剂。例如,人们已经利用S2−、Mn2+和Li+来调节钙钛矿结晶行为和钝化陷阱态。但是,相应器件的PCE仍低于10%。值得注意的是,目前关于添加剂的研究大多仅集中在添加剂阴阳离子中的某一种离子上,而忽略了其他离子,这对于揭示离子添加剂的作用机理显然不足。因此,有必要寻找一种优良的添加剂来增强器件光电性能,并充分研究其作用机理。

中国科学院大连化学物理研究所王开和刘生忠研究员与湖北大学万丽副教授采用氨基磺酸钠(SAS)作为添加剂对CsPbIBr2钙钛矿薄膜进行优化。与原始样品相比,具有SAS的钙钛矿晶体尺寸增大,晶界变少。同时,经过优化的钙钛矿显示出较低的陷阱态密度和较长的载流子寿命,这对于提升器件光伏性能具有重要意义。此外,研究者发现氨基磺酸根离子(SA)分布在钙钛矿薄膜的上表面,而Na+主要分布在钙钛矿薄膜的下表面,进而推断阴阳离子的不均匀分布可能会产生一个附加电场,促进电子传输。最终,含有SAS的PSCs最高光电转换效率达到了10.57% (稳态输出效率:9.99%),与无添加剂样品相比提高了16.8%。此外,经过SAS优化的PSCs展现出更加优异的稳定性,在35%湿度环境里,室温下老化96小时后仍能保持初始效率值的90%,以上结果将对全无机PSCs的添加剂工程研究具有重要意义。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201907283)上。