Energ. Environ. Sci.:穩(wěn)定高效的銫摻雜二維鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

近年來，有機(jī)-無機(jī)鹵化物鈣鈦礦材料發(fā)展迅速，已經(jīng)成為下一代薄膜太陽能電池和光電子學(xué)領(lǐng)域的明星級(jí)材料。三維（3D）甲基碘化鉛（MAPbI3）作為太陽能電池的吸收層具有優(yōu)異的光伏性能，如消光系數(shù)高、帶隙匹配、激子結(jié)合能小以及電荷擴(kuò)散長度長等優(yōu)點(diǎn)。該類鈣鈦礦太陽能電池效率最高已經(jīng)達(dá)到22.1%。然而，這類鈣鈦礦材料面臨環(huán)境穩(wěn)定性差的問題嚴(yán)重制約了該類鈣鈦礦電池的商業(yè)化進(jìn)程。這一挑戰(zhàn)激勵(lì)著研究者致力于開發(fā)環(huán)境穩(wěn)定性好的新型材料。在這樣的背景下，二維（2D）鈣鈦礦材料脫穎而出。與3D鈣鈦礦材料相比，2D鈣鈦礦材料擁有可調(diào)的光電性能和環(huán)境穩(wěn)定性兩大優(yōu)點(diǎn)。遺憾的是，由于2D鈣鈦礦存在吸收系數(shù)低、電荷傳輸能力差和激子結(jié)合能大等問題，導(dǎo)致其光伏性能差，電池效率低下。近期研究發(fā)現(xiàn)2D鈣鈦礦邊緣存在長壽命的自由載流子，這為該材料的高光伏特性提供了保證。通過在加熱基底上進(jìn)行溶液法澆筑制備薄膜，可以有效的控制2D鈣鈦礦的晶向，在垂直方向形成有效的電荷輸運(yùn)，使得電池效率達(dá)到12.5%，同時(shí)比3D鈣鈦礦電池具有更好的耐濕性。盡管在控制溶液成膜上取得了巨大的成功，然而其材料本征缺陷仍然限制光伏性能和器件穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。

【成果簡介】

近日，中科院劉生忠教授、陜西師范大學(xué)趙奎副教授（共同通訊作者）在Energy & Environmental Science 上發(fā)表了一篇名為“Stable high efficiency two-dimensional perovskite solar cells via cesium doping”的文章。該工作通過對(duì)二維 （BA）2（MA）3Pb4I13鈣鈦礦進(jìn)行銫（Cs）摻雜將太陽能電池效率從12.3%提高至13.7%。此外，電池的穩(wěn)定性也得到了進(jìn)一步的提升。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1銫摻雜鈣鈦礦（Cs-2D）的晶體結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)

（a）。原位GIWAXS測(cè)試顯示Cs0-2D（Cs摻雜濃度為0）和Cs5-2D（Cs摻雜濃度為5%）樣品在溶液旋涂過程中的相變過程；

（b）.GIWAXS分析Csx-2D薄膜的結(jié)晶性質(zhì)，右側(cè)與底部的部分分別表示的不同摻雜濃度下，（2100）峰和（111）峰的峰移；

（c）。銫摻雜二維晶體結(jié)構(gòu)示意圖；

（d）.Csx-2D鈣鈦礦薄膜的吸收譜（虛線）和PL譜（實(shí)線）的對(duì)比。

圖2Csx-2D鈣鈦礦薄膜的形貌表征

（a， b）.Csx-2D鈣鈦礦薄膜的SEM圖，低分辨率（a）和高分辨率（b）；

（c）.Csx-2D鈣鈦礦薄膜的AFM圖， 標(biāo)注的是功函數(shù)和粗糙度；

（d）.Csx-2D鈣鈦礦薄膜器件的橫截面SEM圖。

圖3Csx-2D鈣鈦礦薄膜的光電特性

（a）.Csx-2D鈣鈦礦器件的暗電流-電壓測(cè)試曲線；

（b）.Csx-2D鈣鈦礦薄膜的缺陷態(tài)密度與電子遷移率隨Cs摻雜濃度的變化曲線；

（c）.Csx-2D鈣鈦礦薄膜生長在FTO/TiO2襯底上的PL衰減曲線。

圖4Csx-2D鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)與表征

（a）。電池結(jié)構(gòu)；

（b）.80個(gè)Csx-2D鈣鈦礦電池的性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；

（c）.Cs5-2D鈣鈦礦電池最高效率（13.68%）器件J-V曲線；

（d）。外量子效率（EQE）曲線與電流隨波長積分曲線；

（e）。器件正掃與反掃的J-V曲線。

圖5Cs0-2D和Cs5-2D鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性測(cè)試

（a）。在相對(duì)濕度為30%的環(huán)境條件下，未封裝Cs0-2D和Cs5-2D鈣鈦礦電池的長期穩(wěn)定性測(cè)量；

（b）。 未封裝Cs0-2D和Cs5-2D鈣鈦礦電池在不同濕度下 （30%、65%、85%） 的耐濕測(cè)量；

（c）。未封裝的 Cs0-2D和Cs5-2D鈣鈦礦電池在80℃惰性氣氛下的穩(wěn)定性測(cè)試。

【小結(jié)】

在這項(xiàng)工作中，研究者通過對(duì)二維（BA）2（MA）3Pb4I13鈣鈦礦電池進(jìn)行銫（Cs）摻雜來提升鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸與表面質(zhì)量，進(jìn)而提升器件的光伏性能和穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銫摻雜濃度為5%時(shí)，器件的效率從0摻雜時(shí)的12.3%提高至13.7%。此外，在30%濕度情況下，經(jīng)過1400小時(shí)后，器件的效率仍然保持89%。這將有助于推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池走向商業(yè)應(yīng)用。