J. Energy Chem.: 前驱液工程刷新CsPbIBr2钙钛矿电池最高效率

1. 引言

近年来，全无机钙钛矿(CsPbX3)由于其优异的热稳定性而受到了广泛的关注。其中，CsPbIBr2钙钛矿能够同时兼顾合适的带隙和稳定性，被认为是一种理想的光电材料用于包括太阳能电池、探测器、智能光伏窗户等多个领域。

目前，已报道的CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仅有11-12%，仍远低于其理论极限值。其中一个主要的原因是其前驱液浓度较低，导致溶液旋涂法制备的钙钛矿薄膜厚度仅为250‒280 nm，从而严重影响了光捕获能力和光电转换效率的进一步提升。

2. 成果展示

近期，大连理工大学于泽等采用由溴化铯、碘化铅和溴化铅组成的三组分前驱液配方(TCP)，来替代目前广泛使用的基于碘化铯和溴化铅的二组分配方(DCP)。三组分配方将前驱液浓度提高到1.3 M，因此获得了390纳米厚的CsPbIBr2钙钛矿薄膜。同时，由于碘化铅与DMSO更强的相互作用，有效调节了钙钛矿的晶体生长过程，从而获得了晶粒尺寸更大、表面平整的高质量钙钛矿薄膜。在此基础上，将小分子方酸类修饰材料(SQ‒C8)引入到钙钛矿与空穴传输材料之间，钝化表面缺陷和加快电荷传输，最终获得了12.8%的光电转换效率。这是目前CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的最高效率。

该研究工作以“Precursor engineering enables high-performance all-inorganic CsPbIBr2 perovskite solar cells with a record efficiency approaching 13%”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上，第一作者为大连理工大学硕士生常青艳和香港城市大学博士后安怡澹，通讯作者为香港城市大学叶轩立教授和大连理工大学于泽教授。

3. 图文导读

图1. CsPbIBr2前驱体溶液的DLS图谱：(a) DCP和 (b) TCP。CsPbIBr2薄膜的原位紫外-可见吸收光谱：(c) DCP和 (d) TCP。(e) DCP和TCP制备的CsPbIBr2薄膜在550 nm处吸收强度的演变。(f) DCP和TCP制备CsPbIBr2薄膜的XRD图谱。

通过时间分辨紫外-可见光谱(图1c 和 1d)表明，与基于 DCP 的薄膜 (200 ~ 270 s) 相比，TCP制备的CsPbIBr2薄膜明显表现出相对缓慢的结晶过程 (200 ~ 320 s)。我们进一步选择550 nm处峰值强度随时间的演变来跟踪薄膜结晶的变化(图1(e))。TCP制备的薄膜晶体生长速率(npc)为0.017，明显慢于基于DCP的薄膜的相应值(npc= 0.024)。XRD图谱(图1(f))表明TCP处理的薄膜显示出更高的结晶度。

图2. CsPbIBr2钙钛矿薄膜 SEM表面图：(a) DCP 和 (d) TCP。CsPbIBr2钙钛矿薄膜截面 SEM图：(b) DCP 和 (e) TCP。CsPbIBr2钙钛矿薄膜 AFM图：(c) DCP 和 (f) TCP。

图2a和2d表明TCP制备的CsPbIBr2钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸和较少的晶界。由于前驱液浓度的提高，薄膜厚度由280纳米(DCP)增加到了390纳米(TCP) (如图2b和2e所示)。图2c和2f的AFM结果表明，相比于DCP，TCP制备的CsPbIBr2钙钛矿薄膜表面粗糙度从24.1纳米减少到21.7纳米。

图3. 基于DCP和TCP的最佳太阳能电池性能：(a) 在100 mW cm−2(AM 1.5G)下测量的J–V曲线。(b) IPCE图谱和相应的积分电流。(c) 在一个太阳光照射下(AM 1.5G)最大功率点的稳定功率输出。(d) 基于20个器件的效率分布图。

图3a表明TCP基器件获得了11.50 mA cm‒2的短路电流Jsc，优于DCP基器件(10.69 mA cm‒2)。IPCE谱图(图3b)进一步表明TCP基器件在350-600波长范围内具有更高的IPCE值。TCP基器件获得高短路电流的主要原因是由于钙钛矿吸光层厚度的显著增加，进而提升了光捕获能力。图4(a-d) 证明TCP前驱液配方有效地提高了钙钛矿薄膜的质量，减少了其缺陷态密度，抑制了载流子的非辐射复合，从而提升了器件的开路电压。图4e表明SQ‒C8界面修饰层的引入，不仅可以有效的钝化钙钛矿表面缺陷，同时可以加速电荷在界面的提取，将光电转换效率进一步提高到12.8%。

图4. CsPbIBr2钙钛矿薄膜: (a) PL和 (b) TRPL图谱。(c) 仅电子器件的SCLC曲线。(d) 器件的Voc对光强的依赖性。(e) 在100 mW cm‒2 (AM 1.5G)下测量的有无SQ-C8修饰的TCP基器件的J−V曲线。(f) 未封装器件的空气稳定性 (25% ± 5% RH、25 ℃)。

4. 小结

本工作成功地发展了一种三组分前驱液体系用于制备高质量的CsPbIBr2钙钛矿薄膜。三组分前驱液一方面增加了钙钛矿薄膜的厚度，从而显著地提升了光捕获能力。另一方面，三组分配方调节了钙钛矿的结晶过程，获得了晶粒尺寸更大、缺陷更少的高质量CsPbIBr2钙钛矿薄膜。这一工作为溶液法制备高质量CsPbIBr2钙钛矿薄膜用于高效太阳能电池和其它光电器件提供了一个新的思路。

责任编辑：周末