Year: 2024
Type: article
Abstract: 金属卤化物钙钛矿(ABX 3 )具有CaTiO 3 一样的晶体结构, 卤化物钙钛矿如FAPbI 3 、CsPbI 3 等具有高吸收系数、带隙可 调、载流子寿命长等优异的光电特性, 在光伏发电、发光探 测等领域具有广泛的应用潜力.自2009年用于光伏器件以来, 钙钛矿太阳能电池(PSCs)经过十几年的发展, 其单结电池最 高光电转换效率(PCE)已经超过了26% [1] .为了获得更高的PCE, 叠层电池已被证实是一个行之有 效的策略.叠层电池以宽带隙(WBG)子电池(1.7~2.3 eV)为顶 电池, 窄带隙(NBG)子电池(1.25~1.40eV)为底电池, 可以降低 热弛豫损失, 提高光谱的利用率, 突破单结电池的理论极限.目前, 有机无机杂化钙钛矿叠层太阳能电池(HPTSC)已经达 到了30%.然而, 杂化电池中的有机部分如MA + 具有挥发性, 在长期光照和受热条件下, 稳定性达不到行业要求.全无机钙钛矿电池采用Cs + 代替有机阳离子, 避免了有机 部分的挥发问题, 可以增强材料的光热稳定性.铅基无机 CsPbI 3-x Br x 钙钛矿的带隙在1.7~2.3 eV, 适合作为WBG顶电 池. 同时, 采用Sn-Pb可以获得带隙小于1.3eV的钙钛矿, 可作 为NBG底电池.所以全无机钙钛矿叠层太阳能电池(IPTSC) 有望打破效率瓶颈并解决光热稳定性问题.然而, 无机NBG PSCs的成核结晶控制困难, Sn 2+ 容易被氧化为Sn 4+ , 会导致钙 钛矿薄膜质量差, 缺陷密度大, 最终限制了NBG无机PSC的 PCE, 导致IPTSC在很长一段时间内都处于研究空白区. 本课题组 [2] 采用了配体演变(LE)策略调控无机NBG钙钛 矿的薄膜成核结晶、还原Sn 4+ 以及钝化钙钛矿表面缺陷, 首 次构建了冠军效率为22.57%的2端(2T)IPTSC,该研究成果发 表于Nature.传统的钙钛矿前驱体溶液如CsPb 1-x Sn x I 3 :DMSO所形成 的钙钛矿薄膜往往具有较多的缺陷和针孔, 不利于自由电荷 的分离与传输.在本研究中, 我们通过在前驱体溶液中添加 对甲苯磺酰肼(PTSH), 可以获得均匀致密的无机NBG钙钛矿 薄膜.PTSH作为一种绿色配体, 可以与Pn 2+ /Sn 2+ 形成配位化 合物.此外, PTSH可以将Sn 4+ 还原为Sn 2+ , 而生成的对甲苯磺酸 (PTSA)可以继续与Pn 2+ /Sn 2+ 配位(图1(a)), 钝化表界面缺陷.为了验证PTSH结构演化对钙钛矿薄膜的调控作用, 我们 对LE过程进行了监测.在低温(70℃)热处理时, PTSH可以与 Sn/Pb阳离子进行配位, 从而调控钙钛矿晶体的生长获得取向 性好和致密的钙钛矿薄膜.密度泛函理论计算结果表明, 相 比于DMSO分子, PTSH可以与Pb/Sn离子形成更为牢固的配 位键.随着温度的升高(105℃), PTSH中的肼基发生分解, 产 生的PTSA可进一步与Sn/Pb离子形成配位键, 从而钝化钙钛 矿的表面缺陷态(图1(b), (c), (e)).同时, Sn 4+ 含量显著减少 (图1(e)), 证实了PTSH的还原作用.以1.31 eV CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 NBG PSC为例, 相比于对照组 12.36%的效率, 使用LE策略的器件实现了17.41%的创纪录效率. 以CsPb 0.4 Sn 0.6 I 3 :LE PCE为底端NBG子电池, 1.92 eV的 CsPbI 2 Br PSC作为顶端WBG子电池成功构建出全球首个超 过单结无机PSC效率的2T IPTSC(图2(a)).IPTSC中NBG活性 层最佳厚度接近320 nm(图2(b)).WBG CsPbI 2 Br子电池效率 可以达到15.57%,而2T IPTSC则实现了22.57%的效率.
DOI: 10.1360/tb-2024-1338
Authors: Hongyu Min, Chenghao Duan, Keyou Yan
Language: English
Subfield: Electrical and Electronic Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W4405791688