Advanced Science:有机配体“武装”的氧化锌提高CsPbI2Br无机钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性

太阳能电池作为清洁能源的代表,通过光伏效应把光能直接转化为电能,是理想的可再生能源。近些年,飞速发展的新兴钙钛矿太阳能电池的认证效率已经达到了25.5%,早已迈过了商业化门槛,但钙钛矿模组需要在运行过程中保持良好的热稳定性和光照稳定性,这方面仍未达标。钙钛矿中有机组分(甲胺和甲脒阳离子)的受热易挥发性质导致有机无机复合钙钛矿难以达到稳定性的要求。但无机钙钛矿在稳定性方面具有独特的优势,特别是CsPbI2Br作为光活性层,能同时兼顾CsPbI3的高效率和CsPbBr3的高稳定性,成为了诸多研究者的选择。然而大多数研究采用复杂的双层电子传输材料或掺杂的空穴传输材料以获得较高的性能,这使得器件制备工艺更加复杂且掺杂剂的吸湿性也容易加快钙钛矿的降解。ZnO是一种在有机太阳能电池中广泛使用的电子传输材料,与钙钛矿器件中常用的TiO2和SnO2相比,其与钙钛矿的能级更加匹配,电子迁移率和透过率更高,且无机钙钛矿CsPbI2Br层没有有机阳离子,不存在ZnO对钙钛矿的去质子化分解。制备性能优异的ZnO电子传输材料有望显著提高无机钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

为此,武汉理工大学王涛教授课题组通过有机配体“武装”ZnO电子传输材料,在保持钙钛矿高结晶性的同时钝化钙钛矿缺陷,制备出了转换效率高达16.84%的全层无掺杂的高稳定CsPbI2Br无机钙钛矿太阳能电池,这是迄今为止CsPbI2Br无机钙钛矿太阳能电池所报道的最高效率之一,相关成果发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202000421)上。

在该器件中,作者使用热退火来控制ZnO薄膜中有机配体醋酸根的含量,从而获得最佳的钙钛矿结晶性和钝化效果。具体分析表明,随着ZnO薄膜退火温度的升高(100, 130, 150, 200 ℃),有机配体醋酸根的含量逐渐减少。低温处理(100, 130 ℃)的ZnO中过多的有机配体会导致钙钛矿薄膜形成针孔,高温处理(200 ℃)的ZnO 中配体过少,适度温度下处理(150 ℃)的ZnO 上生长的钙钛矿膜均匀无针孔且有高的结晶度,相应器件的效率也是最高的。作者进一步利用X射线光电子能谱(XPS)、红外吸收光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)和理论计算系统地证明了ZnO中的醋酸根(Ac)能与钙钛矿中的铯原子(Cs)形成稳定的Cs-Ac相互作用,钝化缺陷的同时稳定钙钛矿的晶体结构使光伏器件在白光LED连续200 h照射下能维持90%的初始效率,在85 ℃下加热400 h能维持86%的初始效率。