通过表面钝化工程增强全无机碘化铯铅钙钛矿太阳能电池性能

引言

由于传统的有机-无机杂化钙钛矿材料存在着不可避免的热/湿不稳定性，导致器件在高温或者高湿度条件下性能衰退严重，阻碍了钙钛矿太阳能电池商业化的进程。在这样的大背景下，纯无机铯铅卤化物钙钛矿具有良好的环境稳定性和优异光伏性能便自然而然地成为商业化钙钛矿太阳能电池的研究热点。常用的无机铯铅卤化物钙钛矿是碘化铯铅，但是碘化铯铅钙钛矿存在两个相，一个是低温?相(正交晶相)和高温α相(立方晶相)。这两个相的带隙分别是2.82 eV和1.7 eV，只有高温立方相的碘化铯铅才是理想的吸光材料可用于高效率的钙钛矿太阳能电池。因此如何在常温下使得碘化铯铅钙钛矿稳定在立方相仍然是个巨大的挑战，也是制备稳定高效碘化铯铅钙钛矿太阳能电池的关键所在。

成果简介

近日，山东大学尹龙卫教授等人在Nature. Commun.上发表了一篇题为“Surface passivation engineering strategy to fully-inorganic cubic CsPbI3 perovskites for high-performance solar cells”的文章。该文章通过聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)诱导表面钝化过程获得了长期稳定存在的立方晶相碘化铯铅，其电池效率高达10.74%，并且具有优秀的环境稳定性。

图文简介

图1：碘化铯铅薄膜和碘化铯铅丐太阳能电池的结构和形貌表征

(a). 不同晶相的碘化铯铅薄膜的XRD谱;

(b). 正交晶相和立方晶相的碘化铯铅的老化图;

(c, d). 正交晶相和立方晶相的碘化铯铅薄膜的SEM图;

(e). 无机碘化铯铅钙钛矿太阳能电池的横截面SEM图。

图2：碘化铯铅的傅里叶转换红外光谱和核磁共振谱

(a). 纯PVA、在PVA下合成的碘化铯铅薄膜以及异丙醇处理的碘化铯铅薄膜的傅里叶转换红外光谱;

(b, c). PVP以及碘化铯铅-PVP的1H和13C的核磁共振谱。

图3：PVP诱导立方晶相碘化铯铅的稳定性机制

(a). 碘化铯铅和PVP化学分子键连接示意图;

(b). 碘化铯铅中的PbI2和Cs离子在DMF/DMSO溶剂中自发地与PVP分子组装和相互作用，并保持亚稳态;

(c). 在PVP分子的作用下，CsPbI3纳米晶形成于PVP分子上，并保持相对独立和稳定;

(d). PVP通过N/O键和Cs键结合在碘化铯铅晶体表面。

图4：立方晶相碘化铯铅钙钛矿薄膜的光学表征以及器件性能表征

(a). 立方晶相碘化铯铅钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱;

(b). 在玻璃衬底上沉积正交和立方晶相碘化铯铅薄膜的时间分辨光致发光光谱;

(c). 器件的IPCE曲线以及短路电流积分;

(d). 立方晶相碘化铯铅钙钛矿太阳能电池的J-V曲线;

(e). 30个器件的性能统计图。

图5：器件的稳定性测试

(a). 无密封器件暴露在湿度为45 - 55%条件下的效率演化;

(b). 不同温度下器件对应的效率;

(c). 无密封器件暴露在温度为60℃条件下的效率演化。

小结

研究者通过聚合物PVP钝化方法，成果获得了高效稳定的立方晶相碘化铯铅钙钛矿薄膜太阳能电池。器件效率高达10.74%，并且具有良好的稳定性。该成果为推动纯无机钙钛矿的商业化进程具有重要意义。