Small:通过衬底工程调控缺陷密度和界面应力制备倒置CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

研究背景

无机钙钛矿材料(ABX3;A = Cs;B = Pb;X = Br, I)的热稳定性显著优于有机/无机杂化钙钛矿材料,因此更接近实际应用。其中,混合卤化物钙钛矿CsPbI2Br结合了CsPbI3和CsPbBr3的优点,具有宽带隙、热稳定性良好等特点,可用于构筑叠层电池的顶层电池。然而,CsPbI2Br具有无机钙钛矿固有缺点,如高密度缺陷和较高的热膨胀系数。在倒置结构的无机钙钛矿电池中,通常以NiOx作为空穴传输层和无机钙钛矿生长的衬底。由于NiOx的热膨胀系数较低,导致钙钛矿热退火冷却过程中在NiOx/钙钛矿界面上形成显著的界面应力,从而直接影响器件的稳定性。因此,通过有效降低无机钙钛矿的缺陷密度并优化其界面应力,可有效提高无机钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

研究内容

针对以上问题,苏州大学冯莱教授团队报道一种衬底工程策略,即以无掺杂的Spiro-OMeTAD薄膜作为空穴传输层,并以磺化的酞菁铜(TS-CuPc)作为界面修饰层。实验结果显示,由于Spiro-OMeTAD的热膨胀系数显著低于CsPbI2Br钙钛矿,因此Spiro-OMeTAD/CsPbI2Br界面上存在显著的残余应力。但是,引入TS-CuPc界面修饰层后,Spiro-OMeTAD/TS-CuPc/CsPbI2Br的界面应力显著降低。此外,研究发现以Spiro-OMeTAD/TS-CuPc作为衬底利于CsPbI2Br钙钛矿的低温(<150℃)结晶,从而有效降低了钙钛矿层的缺陷密度。

在我们的制备条件下,基于Spiro-OMeTAD/TS-CuPc的倒置器件效率可达到14.85%,优于基于Spiro-OMeTAD、NiOx、PEDOT:PSS以及NiOx/TS-CuPc、PEDOT:PSS/TS-CuPc的一系列器件。与基于Spiro-OMeTAD的参比器件相比,基于Spiro-OMeTAD/TS-CuPc的器件的热稳定性和空气稳定性也得到显著提高。该研究为倒置结构器件中空穴层或衬底层与无机钙钛矿之间的界面应力调控以及器件性能优化提供了新的策略。

第一作者为苏州大学能源学院博士研究生韩东蔚,硕士研究生易四维为共同一作,通讯作者为苏州大学能源学院教授冯莱。感谢国家自然科学基金、江苏省六大人才高峰项目、江苏省自然科学基金、国家重点研发计划等的支持。

图文导读

Figure 1. Top-view SEM images of (a) Spiro/TS-CuPc-i/PVK, (b) Spiro/TS-CuPc-ii/PVK and (c) Spiro/PVK films. (d) Overall XRD patterns of all three films.

图1. (a) Spiro/TS-CuPc-i/PVK, (b) Spiro/TS-CuPc-ii/PVK 和 (c) Spiro/PVK 薄膜的SEM图像; (d) 所有薄膜的XRD图谱(PVK表示CsPbI2Br)。

Figure 2. (a, b) Depth-dependent GIXRD patterns of CsPbI2Br (100) plane deposited on different underlayer. (c) Plot of d-spacing values derived from CsPbI2Br (100) plane versus incidence angle. (d) Plot of d-spacing values of CsPbI2Br perovskite and dopant-free Sipro-OMeTAD versus temperature for XRD measurement.

图2. (a,b) 在不同衬底上生长的CsPbI2Br薄膜的(100)晶面的深度依赖的GIXRD图谱。(c) CsPbI2Br薄膜的(100)晶面间距与X射线掠入角的关系图。(d) CsPbI2Br和Spiro-OMeTAD薄膜的晶面间距与XRD测试温度的关系图。

Figure 3. (a) Schematic configuration of inverted CsPbI2Br PeSCs. (b) Band alignment of PeSCs with different HTL. (c) J–V curves along with PCE histograms, (d) EQE profiles and (e) stabilized power output (SPO) of PeSCs with different underlayers.

图3. (a) 倒置结构的CsPbI2Br钙钛矿电池的结构示意图,以及(b)电池各层的能带分布图。(c)最优器件的J-V曲线图以及PCE的柱状分布图。(d)相应的EQE图以及稳态效率输出图。

Figure 4. (a) J-V characteristics in dark measured for electron-only devices with different underlayers, displaying their VTFL kinkpoint behavior. (b) Plot of VOC response versus incident light intensity.

图4. (a)基于不同衬底的单电子器件的暗态J-V特性图。(b)VOC随入射光密度变化的关系图。

Figure 5. Stability of the devices without and with the ultra-thin TS-CuPc layer (a) at 85oC under N2; (b) at 25oC in air with 60-70% relative humidity.

图5. (a) 基于不同衬底的器件的热稳定性测试图和(b)空气中湿稳定性测试图。

论文信息

Managing Defects Density and Interfacial Strain via Underlayer Engineering for Inverted CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with All-Layer Dopant-Free

Dongwei Han, Siwei Yi, Quan Yuan, Xiaoxuan Tang, Qianwen Shu, Qiaoyan Li, Feng Wang, Dong-Ying Zhou, Lai Feng*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101902

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101902