姚建曦课题组在全无机钙钛矿电池研究领域取得进展
信息发布于:2021-12-01
近年来，钙钛矿太阳电池在光伏领域取得了飞速发展，其最高光电效率为25.5%，达到了晶硅太阳电池的水平，这主要得益于钙钛矿材料优异的光电特性，包括可调节的带隙、长的载流子扩散长度以及高的吸光系数等。但钙钛矿太阳电池在大规模商业化应用中仍面临着材料稳定性问题的困扰，这主要源于钙钛矿材料中的有机组分在潮湿或较高温度下会发生不可逆的降解反应，导致其失去优异的光电性能。如果将钙钛矿晶体中A位阳离子用Cs+取代可构成全无机钙钛矿材料，因具有优异的热稳定性和良好的光电特性近年来备受关注。但是Cs+的引入会导致材料的晶体结构由具有优良光电性能的α相转变为不具备光电转换特性的δ相，从而使得电池性能衰减。
针对这一问题，姚建曦教授课题组通过在CsPbI3-xBrx 体系引入具有零维晶体结构的Cs4Pb(IBr)6钙钛矿材料，构筑了0D/3D（Cs4Pb(IBr)6/α-CsPbI3-xBrx）混维全无机钙钛矿薄膜。研究结果表明，0D Cs4Pb(IBr)6 晶粒均匀分布于立方α-CsPbI3-xBrx的大晶粒之间，且0D Cs4Pb(IBr)6的引入诱导了立方相α-CsPbI3-xBrx晶体在（100）晶面择优取向生长，有效提升了器件内载流子的纵向传输。HRTEM观察到两种异质结构通过(040)0D和(002)3D界面彼此连接，同时证明了0D Cs4Pb(IBr)6和3D α-CsPbI3-xBrx晶体之间的良好晶格匹配，这种晶格匹配能够有效钝化薄膜内的缺陷并抑制非辐射复合。基于0D/3D薄膜的PSCs相比3D薄膜PSCs的光电转换效率由4.64%显著提高到14.77%，而0D/3D大面积（1 cm2）PSCs可实现10.52％的光电转换效率。通过稳定性测试表明0D/3D PSCs具有优异的稳定性，在N2下存储60天后，0D/3D PSCs的光电转换效率可保持原效率的93.9％。
▲ 0D/3D Cs4Pb(IBr)6/CsPbI3-xBrx薄膜的制备过程
近期，该研究成果以“具有改善光电性能及稳定性的全无机0D/3D混维钙钛矿电池（All-inorganic 0D/3D Cs4Pb(IBr)6/ CsPbI3-xBrx Mixed-dimensional Perovskite Solar Cells with Enhanced Efficiency and Stability）”为题以封面形式发表在国际化学领域权威期刊《材料化学C》（Journal of Materials Chemistry C）上。该论文第一作者为华北电力大学博士生李珍珍，通讯作者是新能源电力系统国家重点实验室姚建曦教授。
该研究工作得到了国家自然科学基金、河北省重点研发计划等项目的资助。
