Small Science: 纳米限域结晶提高全无机钙钛矿电池效率

钙钛矿材料由于其较高的载流子迁移率,较长的载流子寿命,可调的带隙以及制备便捷、成本低廉等优势受到了光伏领域研究人员们的广泛关注。目前,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的认证光电转换效率已经超过25%。但是考虑到钙钛矿电池的工作环境,其耐温性能尤为重要,有机无机杂化钙钛矿由于含有易受热分解挥发的有机组份,其耐温性能受到了极大制约。全无机钙钛矿材料由于其不含有机组分,耐温性能得到了极大的提升,因此全无机钙钛矿电池目前受到了该领域研究人员的广泛关注。在促进钙钛矿电池光电转换效率的方法中,调控钙钛矿结晶是一项有效且便捷的手段。目前,纳米限域结晶由于其抛弃了在调控结晶过程中添加剂与晶格元素之间的化学反应,仅仅利用固定尺寸的限域空间进行结晶调控的优点成为了调控钙钛矿结晶中新兴的通用手段。

中国科学院大连化学物理研究所薄膜太阳能电池研究组(DNL1606)刘生忠研究员团队发现通过ZrSBA-15介孔材料限域结晶的方法,可以有效提高无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。利用Zr元素改性有序介孔材料SBA-15,得到了片状的具有有序固定尺寸孔道的ZrSBA-15介孔材料,并将该材料引入无机钙钛矿(CsPbI3,CsPbIBr2)前驱体溶液中,以此达到在结晶过程中对无机钙钛矿进行局部纳米限域结晶的目的。

图1. (a) CsPbIBr2钙钛矿纳米限域结晶示意图;(b) CsPbIBr2纳米限域结晶钙钛矿晶体高分辨率TEM图片;(c) CsPbIBr2纳米限域结晶钙钛矿晶体选区电子衍射图谱;(d) CsPbIBr2钙钛矿薄膜截面SEM图片;(e) CsPbIBr2纳米限域结晶钙钛矿晶体及对应薄膜示意图;(f) CsPbIBr2纳米限域结晶钙钛矿薄膜刻蚀XPS元素分布曲线;(g)不同纳米限域结晶钙钛矿晶体含量的CsPbIBr2薄膜XRD图谱;(h) XRD (100)峰放大图谱;(i) 不同纳米限域结晶钙钛矿晶体含量的CsPbIBr2薄膜晶格应力分析图谱(内部为Williamson-Hall曲线)。

经过ZrSBA-15的限域结晶调控,在无机钙钛矿薄膜中形成了与ZrSBA-15孔道尺寸一致的7nm类单晶钙钛矿晶体,有效的促进了载流子传输。同时在限域结晶过程中,由于限域孔道内壁张力的原因增加了无机钙钛矿的晶格应力使无机钙钛矿晶格结构得到了稳定,有效提高了该体系电池的稳定性。在此方法中,ZrSBA-15的孔道起到纳米限域调控结晶的目的,同时ZrSBA-15的外表面也为非限域的钙钛矿起到了促进结晶增大晶粒的作用,能够更进一步提高无机钙钛矿电池的光电转换效率。经过该方法的调控,CsPbIBr2和CsPbI3钙钛矿电池的光电转换效率得到了明显提高。该论文发表在Small Science (https://doi.org/10.1002/smsc.202000054)。