Advanced Energy Materials:前驱体优化策略空气制备高效无机CsPbI2Br钙钛矿太阳电池

无机钙钛矿材料相较于有机无机杂化钙钛矿材料具有更高的热和光照稳定性,但其对于湿度更加敏感。如果在较高湿度的空气中制备,无机钙钛矿薄膜很容易发生相变而无法得到高效电池。因此无机钙钛矿薄膜往往需要在氮气或其他惰性气体氛围中获得,这样不仅增加了器件成本,而且由于需要采用氯苯等有毒反溶剂,也增加了制备过程的不安全因素,因此不适用于低成本大规模电池组件制备。近年来,关于空气中制备无机钙钛矿薄膜的方法已有很多报道,大多都是采用外界辅助来改善制备环境或者优化结晶过程。这些方法不可避免地增加了大气环境制备的复杂性,并且由于工艺限制,制备窗口通常较窄,重复性难以保证。

陕西师范大学刘治科教授、刘生忠教授(共同通讯作者)团队采用大气兼容的前驱体在不同湿度的大气环境中制备了高质量的CsPbI2Br钙钛矿薄膜,获得了高效稳定的全无机钙钛矿太阳电池,并对前驱体的反应、老化和结晶过程进行了深入研究。

该工作采用HCOOCs、HPbI3和HPbBr3作为原料,仅用DMSO作为溶剂,在不同湿度下制备出了高质量的CsPbI2Br钙钛矿薄膜。运用红外光谱分析和X射线衍射表征了这种前驱体制备薄膜过程中的微观反应和结晶过程。研究发现前驱体反应可以形成一种新的化合物(HCOOH•Cs+)。这种化合物一方面可以保护前驱体薄膜不受水汽侵蚀,从而大大延长了空气中制备无机钙钛矿的窗口期;另一方面化合物可以显著延缓无机钙钛矿薄膜的结晶过程,从而提高了无机钙钛矿薄膜的结晶质量。作者通过密度泛函理论计算,进一步证实了前驱体的反应过程和机理,很好地解释了红外光谱随时间和温度的变化规律。研究还发现采用这种前驱体制备的全无机钙钛矿薄膜可以改变材料的能带结构,提高薄膜的费米能级,进而增大了器件的内建电场,提高电池的开路电压。

最终在不同湿度的空气中制备了CsPbI2Br钙钛矿电池,器件的光电转换效率分别达到了对应湿度范围报道的无机钙钛矿太阳电池的最高效率,最高开路电压可达1.32V。在空气中放置840小时后,未封装器件的效率仍能保持其初始值的93%。在氮气氛围中80℃加热52小时后,未封装器件的效率仍能保持其初始值的95%。

相关论文发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.202000691)上。题为“Precursor Engineering for Ambient-Compatible Antisolvent-Free Fabrication of High-Efficiency CsPbI2Br Perovskite Solar Cells”。