Advanced Functional Materials:双钙钛矿Cs2AgBiBr6太阳能电池的双离子迁移效应及其对电池稳定性的影响

近年来,卤化铅钙钛矿在太阳能电池领域取得了一系列突破性的进展,使得基于这类材料的太阳能电池达到了25.2%的高认证效率。然而,卤化铅钙钛矿材料本身含铅,所以涌现出很多研究工作致力于开发低毒性/无毒性的无铅钙钛矿材料。无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6在解决卤化铅钙钛矿面临的毒性和稳定性挑战方面引起了越来越多的研究兴趣。相对于含铅卤化物钙钛矿材料来说,这一材料毒性低且根据已有文献报道其稳定性也很好,因此在太阳能电池,X-射线/光电探测器,化学传感器和光催化等方向都有相关报道。在太阳能电池应用方面,尽管大多数对Cs2AgBiBr6双钙钛矿的研究都集中在光伏性能和薄膜沉积条件的优化上,但其长期稳定性和降解机理尚未得到充分研究。类似于卤化铅钙钛矿材料,这种双钙钛矿材料也可能具备离子迁移的性质,但这方面的研究也尚未报道。

昆士兰大学化工学院王连洲教授课题组报道了无铅双钙钛矿(Cs2AgBiBr6)薄膜太阳能电池表现出很有意思的双离子扩散现象,并通过实验和理论模拟揭示了该现象的可能机理以及对材料和器件稳定性的影响。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202002342)。 铅基卤化物钙钛矿材料具备离子迁移的特性,且这一性质对这类材料在光电子/电子器件的应用有很大影响。一般情况下,卤素离子在铅基卤化物钙钛矿材料中更容易迁移,而金属离子相对更稳定。然而,在无铅双钙钛矿材料中,研究人员发现了卤素和金属离子的双离子迁移现象。首先,研究人员针对无铅双钙钛矿太阳能电池开发了高质量的Cs2AgBiBr6薄膜,基于这一材料的无铅钙钛矿电池效率达到了1.91%。通过研究这些无铅双钙钛矿太阳能电池的环境稳定性,研究人员发现Cs2AgBiBr6表现出很有意思的双离子迁移现象,其中Ag和Br离子在长期运行中通过空穴传输层逐渐扩散。这种现象导致Cs2AgBiBr6钙钛矿的降解和相应的器件在稳定性测试中失效。在Cs,Ag,Bi和Br四种元素中,理论计算表明Ag和Br空位的形成能低,而且扩散能垒也更低低,导致这两种离子出现“双离子迁移效应”。研究人员提出了一种缺陷空位诱导的离子迁移机理来解释这种现象。这些发现对于卤化物双钙钛矿不仅是提供进一步解决双钙钛矿稳定性挑战的具有借鉴意义,而且对于扩展可能需要兼具电子,离子和光子混合特性的光电/电子器件应用至关重要。