Small:p型碳点表面修饰助力高效稳定CsPbI2Br太阳电池制备

[背景介绍]

近年来,各种碳纳米材料(富勒烯及其衍生物、石墨烯及其衍生物、碳纳米管、碳量子点等)被用于各种光伏器件的表面改性。与聚合物基表面修饰材料相比,碳纳米材料合成方便,成本低、稳定好,且修饰手段多样。目前,各种碳纳米材料已经在钙钛矿太阳电池方面得到了广泛应用。作为碳纳米材料中的新成员,碳点近年来引起了研究者的广泛关注,其具有便宜、稳定、无毒、可溶液制备等优点。同时,溶液合成的碳点具有丰富的官能团,如羟基、羰基、羧基和环氧基等,使其在钙钛矿光电器件领域具有潜在的应用前景。如,碳点可以促进钙钛矿结晶和电荷提取,阻止离子迁移,抑制迟滞,提高空气稳定性等,从而提高钙钛矿器件的光电性能。然而,功能化碳点在全无机钙钛矿电池方面的应用研究尚属空白。

鉴于此,陕西师范大学刘治科教授、刘生忠教授和北京化工大学谭占鳌教授(共同通讯作者)等人系统研究了p型碳点在CsPbI2Br钙钛矿太阳电池方面的应用。作者通过将功能化的p型蓝色碳点(B-CDs)作为界面修饰层,获得了高效稳定的CsPbI2Br钙钛矿电池。

[本文要点]

首先,具有丰富的N-H、C-N、C-O和C=O官能团的B-CDs通过氢键和配位键与钙钛矿中的I和Pb2+离子分别作用,有效地钝化了CsPbI2Br薄膜中的多种缺陷。

第二,p型B-CDs与n型钙钛矿形成P-N结,为有效提取空穴和阻挡电子提供了有效的通道。

第三,p型B-CDs提高了钙钛矿薄膜的疏水性,提高了CsPbI2Br钙钛矿电池的稳定性。

综上,p型B-CDs表面修饰使CsPbI2Br钙钛矿电池的效率达到16.76%,是无机CsPbI2Br钙钛矿电池最高效率之一。此外,未封装的CsPbI2Br钙钛矿电池在空气环境放置1000 h后,其效率仍能保持初始效率的95.33%,器件的稳定性得到显著改善。

[图文介绍]

图1. a) B-CDs的制备流程图;b) B-CDs的TEM图;c) B-CDs的UV-Vis吸收光谱和PL图;d) B-CDs的Tauc plot图.
图2. a) CsPbI2Br-B-CDs薄膜的制备流程图;b) CsPbI2Br和 c) CsPbI2Br-B-CDs薄膜的SEM图;d) CsPbI2Br薄膜和CsPbI2Br-B-CDs薄膜的稳态PL图;e) CsPbI2Br-Spiro and CsPbI2Br-B-CDs-Spiro薄膜的稳态PL图
图3. a) PbI2、B-CDs和PbI2+B-CDs溶液的红外光谱图;B-CDs和CsPbI2Br-B-CDs薄膜
图4. CsPbI2Br和CsPbI2Br-B-CDs薄膜的a) Cs 3d、b) Pb 4f、c) I 3d和d) Br 3d的XPS光谱图
图5. a) CsPbI2Br钙钛矿电池(PSC)的结构示意图;b)经B-CDs修饰的CsPbI2Br PSC能级示意图;不同浓度B-CDs修饰PSC的c) J-V 曲线、d) EQE图谱、e)电流密度和效率的稳定输出曲线、f)效率统计图、g) Nyquist plots图、h)缺陷态密度和i)开压与光强关系
图6. a) CsPbI2Br和CsPbI2Br-B-CDs薄膜在湿度约为20%的空气中老化21天的照片;CsPbI2Br和CsPbI2Br-B-CDs PSC的b)空气稳定性和c)光照稳定性

论文信息:

p-Type Carbon Dots for Effective Surface Optimization for Near-Record-Efficiency CsPbI2Br Solar Cells

Xi Guo, Biao Zhao, Kunxiang Xu, Shaomin Yang, Zhike Liu*, Yu Han, Jie Xu, Dongfang Xu, Zhanao Tan*, Shengzhong (Frank) Liu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102272

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102272