Advanced Materials:Cs4PbI6中间相制备稳定的高效富铯FAxCs1-xPbI3(FA 15%)钙钛矿电池

在过去的10年中,有机无机钙钛矿太阳能电池发展迅速去,取得了巨大进步。然而稳定性问题依然严重制约其商业化进程。影响有机无机钙钛矿太阳能电池稳定性问题主要有四个方面:1)热稳定性,由于有机部分热分解温度低,导致有机无机钙钛矿容易热分解;2)光致离子迁移,钙钛矿在光照下回产生离子迁移,导致相变;3)由于离子尺寸问题引起的容忍因子不合适;4)化学不稳定性,在水蒸汽等作用下钙钛矿容易分解。采用Cs离子取代有机部分可以有效的解决热分解问题,并且缓解离子迁移的问题。 然而由于Cs离子半径较小,导致CsPbI3的容忍因子只有0.81,导致钙钛矿结构依然存在相不稳定性,在空气中容易相变成为更稳定的非钙钛矿相。采用离子半径较大的FA+或DMA+等对CsPbI3进行掺杂,可以有效的提高其相稳定性。

中科院青岛生物能源与过程研究所逄淑平、崔光磊课题组采用Cs4PbI6中间相制备了稳定的高效富铯FAxCs1-xPbI3(FA 15%)钙钛矿电池。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001054)上。

混合阳离子钙钛矿FAxCs1-xPbI3具有良好的热、湿稳定性因而是一种有潜力的材料体系。但是,目前FAxCs1-xPbI3的研究集中在富FA基的钙钛矿上,而富Cs基混合阳离子钙钛矿的研究很少,主要由于Cs>30 mol%时不可避免的相分离。利用Cs4PbI6诱导的方法可以制备富Cs基FAxCs1-xPbI3钙钛矿材料体系。计算表明,Cs4PbI6中间相具有较低的Cs+扩散势垒,因此可以与钙钛矿相进行阳离子交换和[PbI6]4-八面体重排,最终形成富Cs 基混合阳离子钙钛矿。A位取代15% FA+可以充分稳定钙钛矿相,紫外光照下或湿空气环境下,对于FA+含量低于15 mol%的薄膜,迅速发生相变形成了δ-CsPbI3;FA+含量超过15 mol%的钙钛矿薄膜显示出良好的紫外线稳定性和湿度稳定性。而且FA0.15Cs0.85PbI3钙钛矿太阳能电池可以实现17.5%的PCE,显示出Cs基钙钛矿对高效,稳定太阳能电池的巨大潜力。