基于CsPb0.9Sn0.1 IBr2的全無機鈣鈦礦太陽能電池展示出效率和穩定性的提升

丁黎明 ，程一兵 ，唐江

1國家納米科學中心，北京 100190

2武漢理工大學，材料復合新技術國家重點實驗室，武漢 430070

3 Department of Materials Science and Engineering, Monash University, Victoria 3800, Australia

4華中科技大學，武漢光電國家實驗室，武漢 430074

圖；(c) 基于不同CsMX3材料的全無機鈣鈦礦太陽能電池的能帶結構，紅色虛線框中顯示的是CsPbBr3、CsPb IBr2和CsPb0.9Sn0.1 IBr2的能帶位置；(d，e) 基于CsPbBr3、CsPb IBr2和CsPb0.9Sn0.1 IBr2的全無機鈣鈦礦太陽能電池的(d) J–V圖和(e) IPCE譜和積分電流密度；(f) 從50個單獨的CsPb0.9Sn0.1 IBr2基全無機鈣鈦礦太陽能電池測得的光電轉換效率統計圖

鈣鈦礦太陽能電池是一種非常有前景的新型光伏器件。近年來，其光電轉換效率的最高記錄已經從3.8%迅速上升到22.1%1–5。常見的有機-無機雜化鹵化物鈣鈦礦材料的通用化學式為ABX3，其中A位點通常是有機陽離子(如甲基銨(MA+)或甲脒(FA+))，B位點通常是Pb2+，X位點通常是鹵素陰離子，這使其具有適當的帶隙和強的吸光性能。然而，由于雜化鈣鈦礦和空穴傳輸材料(HTM s)中的有機成分在外界環境壓力(如水分、氧氣、熱和紫外線等)下的穩定性較差，鈣鈦礦太陽能電池的實際應用仍有待科研人員的進一步努力5–7。

為了提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，一種可能的解決方案是完全摒棄不穩定的有機成分。因此，基于銫金屬鹵化物(CsMX3，M = Pb，Sn；X =I，Br，Cl)的無機鈣鈦礦對于制備下一代高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池有巨大的潛力。2016年底，南京大學金鐘教授、劉杰教授團隊提出了基于無機鈣鈦礦和納米碳電極的“全無機”鈣鈦礦太陽能電池的新概念8,9。研究發現，基于 CsPbBr3和碳電極的全無機鈣鈦礦太陽能電池，摒棄了不穩定的有機-無機雜化鈣鈦礦，也無需昂貴的空穴傳輸層和貴金屬電極，是首個完全以無機材料構成的鈣鈦礦太陽能電池，其性能非常穩定，制備方便，無需在手套箱中操作。這種全無機鈣鈦礦太陽能電池在未封裝的情況下，在90%–95%相對濕度的空氣中存放 3個月性能無衰減，可以耐受?22至100 °C的極端溫度范圍。由于無需昂貴的 HTM s和貴金屬電極，器件成本也大大降低。雖然第一代無機鈣鈦礦太陽能電池效率只達到6.7%，但給解決鈣鈦礦太陽能電池的穩定性難題提供了一條新的思路。

由于CsPbBr3的帶隙較寬(～2.3 eV)，其光電轉換效率比較低。因此，南京大學化學化工學院金鐘教授、劉杰教授課題組嘗試通過能帶工程對無機鈣鈦礦材料進行能隙調控，以進一步提升其光電性能。最近，該團隊提出了一種混合Pb/Sn離子、混合I/Br離子的無機鈣鈦礦材料CsPb0.9Sn0.1IBr2的合成策略10。在無需手套箱或濕度控制的大氣環境中，通過簡便的兩步溶液法制備了具有1.79 eV的合適帶隙的新型無機鹵化物鈣鈦礦CsPb0.9Sn0.1IBr2，通過引入 Sn2+和 I?離子，將導帶底(CBM)和價帶頂(VBM)的位置調節到了合適的能量水平。基于 CsPb0.9Sn0.1IBr2和碳對電極的全無機鈣鈦礦太陽能電池，完全摒棄了不穩定的有機成分和貴金屬電極，并展現出1.26 V的高開路電壓和高達11.33%的光電轉換效率，這在現有的基于CsMX3鈣鈦礦的太陽能電池中處于領先水平。此外，這種全無機鈣鈦礦太陽能電池具有良好的長期穩定性、耐熱(100 °C)和耐濕性。該工作近期在Journal of the American Chem ical Society上在線發表10。該研究表明，通過能帶工程設計新的無機鈣鈦礦材料以提高全無機鈣鈦礦太陽能電池的綜合性能是可行的。

References

(1) Kim, H.; Lee, C.; Im, J.; Lee, K.; Moehl, T.; Marchioro, A.; Moon, S.;Humphry-Baker, R.; Yum, J.; Moser, J.; et al. Sci. Rep. 2012, 2, 591.doi: 10.1038/srep00591

(2) Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.;Nazeeruddin, M. K.; Gr?tzel, M. Nature 2013, 499, 316.doi: 10.1038/nature12340

(3) Chen, W.; Wu, Y.; Yue, Y.; Liu, J.; Zhang, W.; Yang, X.; Chen, H.;Bi, E.; Ashraful, I.; Gr?tzel, M.; Han, L. Science 2015, 350, 944.doi: 10.1126/science.aad1015

(4) Zhang, D.; Yu, Y.; Bekenstein, Y.; Wong, A. B.; Alivisatos, A. P.;Yang, P. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13155.doi: 10.1021/jacs.6b08373

(5) Song, T. B.; Yokoyama, T.; Stoumpos, C. C.; Logsdon, J.; Cao, D. H.;Wasielewski, M. R.; Aramaki, S.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem.Soc. 2017, 139, 836. doi: 10.1021/jacs.6b1073

(6) Yang, Y.; You, J. Nature 2017, 544, 155. doi: 10.1038/544155a(7) Tsai, H.; Nie, W.; Blancon, J. C.; Stoumpos, C. C.; Asadpour, R.;Harutyunyan, B.; Neukirch, A. J.; Verduzco, R.; Crochet, J. J.;Tretiak, S.; et al. Nature 2016, 536, 312. doi: 10.1038/nature18306

(8) Liang, J.; Wang, C.; Wang, Y.; Xu, Z.; Lu, Z.; Ma, Y.; Zhu, H.; Hu,Y.; Xiao, C.; Yi, X.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15829.doi: 10.1021/jacs.6b10227

(9) Liang, J.; Wang, C.; Wang, Y.; Xu, Z.; Lu, Z.; Ma, Y.; Zhu, H.; Hu,Y.; Xiao, C.; Yi, X.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2852.doi: 10.1021/jacs.7b00596

(10) Liang, J.; Zhao, P.; Wang, C.; Wang, Y.; Hu, Y.; Zhu, G.; Ma, L.;Liu, J.; Jin, Z. J. Am. Chem. Soc. 2017, doi: 10.1021/jacs.7b07949