Small Structures:无机钙钛矿铯铅碘的结构性质与稳定性

钙钛矿太阳能电池因其载流子扩散长度大、带隙可调节范围宽、缺陷容限度高、制造工艺简单等优良性能而倍受青睐。其吸收层为卤化物钙钛矿,包括以MAPbI3、FAPbI3为代表的有机无机杂化钙钛矿和以CsPbI3为代表的无机钙钛矿。与有机无机杂化钙钛矿相比,无机钙钛矿具有优异的光热稳定性,使其具有广阔的应用前景。然而,Cs离子尺寸较小,导致无机钙钛矿的容忍因子较低,因此CsPbI3在空气环境中容易受到温度和湿度的影响,发生从钙钛矿相向非钙钛矿相的择优相变。为了解决这一问题,通常采用晶粒尺寸调控、表面功能化和组分调节等策略来稳定其理想的钙钛矿相。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员与逄淑平研究员团队对无机钙钛矿铯铅碘的结构与稳定性研究进展进行了综述。首先对CsPbI3的晶体结构、电子结构和光学性质进行了简单介绍,并简要讨论了其与有机无机杂化钙钛矿在稳定性方面的差异。有机无机杂化钙钛矿中,热载流子诱导有机阳离子去质子化并生成挥发性物质是其光降解的根本原因,而CsPbI3中不存在此过程。因此,CsPbI3对光和热应力具有更好的本征稳定性。但是,CsPbI3易受到水和温度的影响,转化为非钙钛矿相,严重影响了电池的光伏性能。

目前改善CsPbI3相稳定性的策略,可以归纳为三类:晶粒尺寸调控、表面功能化和组分调节。将CsPbI3晶体尺寸减小到纳米级是一种在室温下稳定钙钛矿晶型的有效方法,通常采用非原位合成或者在薄膜形成过程中通过添加剂原位调节钙钛矿晶粒尺寸来实现。获得的钙钛矿型纳米晶体具有高比表面积,可以降低从非钙钛矿相到钙钛矿相的相变温度。此外,环境中的水分子能显著加速CsPbI3钙钛矿向非钙钛矿型的相变,使共角八面体骨架发生畸变。钙钛矿表面配体功能化通过抑制水分或极性溶剂引起的晶格畸变,增加八面体旋转能垒,显著提高其相稳定性。组分调节是克服低容忍因子的有效手段,通过大尺寸A位阳离子或小尺寸B位阳离子/X位阴离子掺杂可以直接改善容忍因子,得到稳定的CsPbI3相钙钛矿。

CsPbI3钙钛矿表现出优异的光稳定性和热稳定性,但在室温和高湿度环境下容易发生相变。尽管研究者们已经做出了很多努力,但要彻底解决这些问题,还需要进行更深入的研究。作者从以下方面为CsPbI3太阳电池的发展给出了建议:降解过程的光物理理论研究与表征、高稳定性电荷传输材料的设计与开发、大面积组件或柔性器件的探索与制备、叠层电池以及光解水等研究领域的拓展与应用。相关论文在Small Structures上以“Structural Properties and Stability of Inorganic CsPbI3 Perovskites”为题在线发表(DOI: 10.1002/sstr.202000089)。