Advanced Functional Materials:构建全无机钙钛矿/氟化物复合纳米材料用于制备高效且稳定的钙钛矿太阳能电池

1、研究背景:

在过去的十年里,有机无机杂化钙钛矿太阳能电池蓬勃发展,最新认证的能量转换效率高达25.5%。然而,杂化钙钛矿太阳能电池长期运行稳定性是这种光伏器件进一步发展且实现商业化的最大瓶颈。当暴露于热、光、水分和氧气等外界环境因素时,钙钛矿材料中固有的晶体缺陷(如未配位的阳离子和卤素空位)容易成为其相变及分解以及离子迁移的起始位点。鉴于此,钝化金属卤化物钙钛矿材料中的缺陷和抑制离子迁移,有望从根本上解决钙钛矿太阳能电池长期运行稳定性差这一问题,但这至今仍是一项艰巨的任务。

2、文章概述:

为了从根本上提升钙钛矿太阳能电池长期运行的稳定性,近日,中科院福建物质结构研究所洪茂椿院士&刘永升研究员团队与北京大学赵清教授团队联合构建了一种异质结构CsPbI3/CaF2复合纳米材料用于制备高效且超稳定的钙钛矿太阳能电池。研究人员通过一种简单的两步异质外延生长法成功地将立方相CaF2嵌入α相CsPbI3钙钛矿的晶格中,并将这种复合纳米材料沉积在杂化钙钛矿Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45 (CsFAMA)薄膜的晶界及表面上,制备出了高效且长期运行稳定的钙钛矿太阳能电池。

3、图文导读:

图 (a)主体思路:构建异质结构CsPbI3/CaF2复合纳米材料用于制备高效且长期运行稳定的钙钛矿太阳能电池。(b)在α相CsPbI3钙钛矿的晶格中嵌入立方相CaF2氟化物后,氟化物中的F有助于复合纳米材料中CsPbI3成分的晶格稳定。(c)纯α相CsPbI3量子点扭曲的晶格中普遍存在结晶缺陷,例如碘空位和未配位的阳离子。
图 (a,b)异质结构CsPbI3/CaF2复合纳米材料与纯α相CsPbI3量子点的透射电镜明场像照片。(c)异质结构CsPbI3/CaF2复合纳米材料的高分辨高角环形暗场像照片,以及红色虚线框指示区域放大的高角环形暗场像照片,展现了清晰的(d)晶格条纹与(e)由α相CsPbI3的(100)晶面和立方相CaF2的(200)晶面组合而形成的刃型位错。(f)对室温下得到的纯α相CsPbI3量子点、立方相CaF2纳米晶和异质结构CsPbI3/CaF2复合纳米材料中Pb 4f、I 3d、Ca 2p和F 1s的高分辨X射线光电子能谱峰进行比较。(g)异质结构CsPbI3/CaF2复合纳米材料的高角环形暗场像照片及其相应的Cs、Pb、I和Ca各元素的X射线能谱面扫分析图。
图 (a)器件结构示意图:在CsFAMA钙钛矿薄膜(光吸收活性层)表面沉积CsPbI3/CaF2复合纳米材料的平面结构钙钛矿太阳能电池。(b)对照组、CsPbI3沉积和CsPbI3/CaF2沉积的钙钛矿太阳能电池的代表性J-V特性曲线及其对应的光伏参数(如表格所示)。(c)30个对照器件、30个CsPbI3沉积器件和30个CsPbI3/CaF2沉积器件的能量转换效率统计分布及其平均值。(d)对照组、CsPbI3沉积和CsPbI3/CaF2沉积的钙钛矿太阳能电池的代表性外量子效率谱图。(e)对照组、CsPbI3沉积和CsPbI3/CaF2沉积的钙钛矿太阳能电池在200小时运行稳定性测试前后的缺陷态密度分布。(f)对照组、CsPbI3沉积和CsPbI3/CaF2沉积的钙钛矿太阳能电池在AM 1.5G太阳光照、最大功率点输出条件下的长期运行稳定性。

4、结论

通过结合实验结果(如飞秒瞬态吸收)与第一性原理计算,可以证实所得到的CsPbI3/CaF2复合纳米材料中的CaF2成分不仅可以钝化CsPbI3钙钛矿自身的固有缺陷,还可以有效抑制基于杂化钙钛矿CsFAMA薄膜的太阳能电池中的离子迁移。因此,基于CsPbI3/CaF2沉积CsFAMA薄膜的太阳能电池的平均能量转换效率达到了20.45%,与没有沉积CsPbI3/CaF2的对照器件的19.33%形成了鲜明对比。更为重要的是,CsPbI3/CaF2沉积的钙钛矿太阳能电池在AM 1.5G太阳光照下最大功率点稳定运行1000小时后仍可保持其初始效率的85%,这远优于对照器件和沉积CsPbI3的钙钛矿太阳能电池的T85器件寿命。该工作为稳定全无机钙钛矿α相的晶格提供了一条有效途径,从而也为构建具有优异稳定性的高效光伏器件提供了更多可能。

论文信息:

Constructing All-Inorganic Perovskite/Fluoride Nanocomposites for Efficient and Ultra-Stable Perovskite Solar Cells

Youchao Wei, Yao Zhao, Caiping Liu, Zhaoyu Wang, Feilong Jiang, Yongsheng Liu*,

Qing Zhao*, Dapeng Yu, Maochun Hong*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106386

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106386