Advanced Energy Materials:基于无掺杂P3HT空穴传输层的高效率CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

全无机钙钛矿光伏材料CsPbX3(X=I、Br或Cl)与MAPbI3、FAPbI3等有机-无机杂化钙钛矿材料相比,具有更加优异的热稳定性,引起了人们的广泛关注。黑相CsPbI3具有理想的带隙(大约1.7eV),目前的器件效率已经超过了19%,但其相稳定性相对较差,容易由光伏黑相转化为非光伏黄相。采用Br掺杂提高Gold-Schmidt容忍因子可以获得晶体结构更加稳定的CsPbI2Br,其具有良好的耐热性、耐湿性和高载流子迁移率等特点。目前,高效全无机钙钛矿太阳能电池(PSC)通常采用掺杂添加剂的空穴传输材料(HTM),如Spiro-OMeTAD和PTAA等。添加剂的吸湿性会引起器件效率的快速衰减。聚(3-己基噻吩)(P3HT)具有优异的空穴迁移率、成本低并具有疏水性,是一种较理想的无需添加剂的HTM。但钙钛矿/P3HT界面存在严重的非辐射复合,使基于无掺杂P3HT的CsPbI2Br器件效率远低于基于掺杂HTM的器件效率。目前的最高效率仅为14.08%。

最近,中科院化学所胡劲松研究员课题组针对这一问题,首先通过精细调控CsPbI2Br的退火结晶过程,获得了高质量低缺陷的CsPbI2Br钙钛矿薄膜。再通过引入宽带隙界面层(二苯胺衍生物,TFB)改善钙钛矿与P3HT的能级匹配,同时减少载流子在钙钛矿/P3HT界面的复合,实现了转换效率可达15.50%的基于无掺杂P3HT的CsPbI2Br器件,同时利用P3HT和TFB的疏水性,显著提高了器件的环境稳定性。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202000501)上。

研究发现通过精细调控CsPbI2Br的预退火温度和时间可获得均匀、致密、无孔洞的薄膜。针对P3HT HTM优化的预退火过程可促进钙钛矿材料的扩散和薄膜的相重构,减缓了CsPbI2Br的快速生长,因此提高了CsPbI2Br的薄膜质量。器件测试表明基于该薄膜和无掺杂P3HT HTM的CsPbI2Br电池可获得与基于掺杂Spiro-OMeTAD HTM器件相当的效率,并且无掺杂P3HT器件表现出更好的稳定性。掺杂Spiro-OMeTAD器件在40%湿度环境下放置10分钟后,CsPbI2Br由α相转化为δ相,效率由14.87%急剧衰减到了0.14%。为进一步减少开路电压损失,作者在钙钛矿和P3HT界面引入了超薄的宽带隙缓冲层(TFB),优化了钙钛矿/P3HT界面的能级匹配,并且同时有效地减弱了载流子在界面的非辐射复合,将器件开路电压由1.17V提高到了1.26V,因此获得了15.50%的该类器件目前最高的光电转化效率。同时,未封装器件在25%湿度环境中放置两个月仍可保持95%的初始效率。该工作为制备低成本、高效率、长寿命的全无机钙钛矿太阳能电池提供了新的思路和技术途径。