nanomicroletters - 15.92%：表面處理提升CsPbI₂Br反鈣鈦礦太陽能電池性能－鑽石舞台

Jun 01 Wed 2022 21:31
nanomicroletters - 15.92%：表面處理提升CsPbI₂Br反鈣鈦礦太陽能電池性能

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銫鉛鹵化物(CsPbX₃)鈣鈦礦材料由於其優異的熱穩定性和光電特性近年來已經引起了極大的關注。其中，CsPbI₂Br具有良好的相穩定性和適當的光收，顯示出最有希望的光伏應用。然而，它的研究進展遠遠滯後於常規，由於較大的開路電壓(Voc)損耗，其效率約為15%相對較低。因此，迫切需要研究有效的策略來抑制開路電壓損耗的問題。

Effective Surface Treatment for High-Performance Inverted CsPbI₂Br Perovskite Solar Cells with Efficiency of 15.92%

Sheng Fu, Xiaodong Li, Li Wan, Wenxiao Zhang, Weijie Song, Junfeng Fang*

Nano‑Micro Lett.(2020)12:170

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00509-y

本文亮點

1. 提出了一種簡單且多功能的表面處理策略，以解決CsPbI₂Br反鈣鈦礦型太陽能電池性能差的問題。

2. 誘導離子交換可以調整能級，鈍化GBs和表面，提供抵抗外部侵蝕的堅固保護。

3. CsPbI₂Br反鈣鈦礦電池顯示出15.92％的最佳效率，並且在潮濕，工作和熱老化後仍具有出色的穩定性。

內容簡介

中國科學院寧波材料技術與工程研究所宋偉傑團隊針對銫鉛鹵化物(CsPbX₃)太陽能電池效率低的問題，提出了一種簡單多功能的表面處理策略，經過優化的太陽能電池在Voc為1.223 V的情況下顯示出15.92％的最佳效率，且耐濕性和操作性得到了顯着提升。

本文報告了一種簡單的方法，該方法可通過在高溫退火下用溴甲酰胺(FABr)進行有效的表面處理來解決CsPbI₂Br反鈣鈦礦電池效率低的問題。目標器件在Voc高達1.223 V時顯示出15.92％的最佳效率，這與常規器件相當。除了提高效率外，還大大改善了水分穩定性的致命問題，未封裝的器件在20％相對濕度下老化1300小時後，仍保持其打開效率的91.7％。該處理由於由於抑制相分離還賦予CsPbI₂Br反鈣鈦礦電池好的熱穩定性和操作穩定性。此外，無包裝裝置在環境條件下顯示出優異的運行穩定性。該工作為高效率和穩定的CsPbI₂Br反鈣鈦礦電池提供了可行的策略。

圖文導讀

I對形態和光電性能的影響

圖1a為薄膜的XRD圖，均具有相似的立方相結構。當增大(110)晶面時，隨着FABR濃度的增加，峰逐漸向低角度移動，經10 mg/mL FABR處理的膜與8mg/mL處理的膜具有類似衍射峰。紫外—可見吸收光譜(圖1b) 由於離子交換，表現出一致的紅移吸收(帶隙減小)。圖1c、d可以看出處理後薄膜的費米能級(Ef)和價帶最大值(VBM)都向高能方向移動，從而降低了界面能損失，增加了器件的內置電場。因此，可以推斷高溫FABr表面處理可以誘導FABr與CsPbI₂Br膜之間的離子交換，抑制反鈣鈦礦電池中較高Voc所帶來的界面能損失。

圖1.(a)XRD圖。(b)紫外可見吸收光譜。(c)不同濃度FABr處理的CsPbI₂Br薄膜的UPS光譜。(d) 處理後的CsPbI₂Br薄膜和CTL的能級圖。

用SEM研究了各種FABr濃度處理後的形貌變化(圖2a、b)。隨着處理濃度的增加，沉澱逐漸覆蓋表面，當濃度為8 mg/mL時，表面幾乎被完全覆蓋。同時，進行了時間飛行二次離子質譜法(TOF-SIMS)的深度剖析(圖 2c、d)分析了元素的垂直分布。對應於離子交換的AX和EDS分析，Ref膜的所有元素均表現出相似的分布，而8F CsPbI₂Br膜則顯示了富Br和富FA的表面，Pb和I元素減少，這將產生CsPbI₂具有有效的鈍化和保護作用。此外，我們製造了具有Au/CsPbI₂Br/Au(15 nm)/ITO結構的器件，以檢查內置電場。如圖2f所示，結果表明處理過的薄膜在黑暗條件下具有非歐姆I-V電壓，在1個陽光照射下的Voc為0.174 V，具有光伏性能。因此，FA⁺離子的梯度分布可以感應出如圖2g所示的內建電場，這可能會加速光生載流子的傳輸。為了研究處理後載流子傳輸動力學的影響，進行了穩態光致發光(PL)光譜和時間分辨PL(TRPL)光譜。如圖2h所示，處理過的薄膜的PL峰顯示出紅移，其由FA⁺取代成CsPbI₂Br晶格組成。另外，處理過的膜具有淬滅的PL強度。

圖2. SEM圖像的俯視圖和橫截面圖(內部)(a) Ref；(b) 8F CsPbI₂Br。TOF–SIMS (c) Ref；(d) 8F CsPbI₂Br。(e) 暗I-V圖的空穴型鈣鈦礦裝置。(f) ITO/Au/perovskite/Au結構的器件在暗光和陽光下的I-V曲線。(g) 誘導梯度能帶結構促進了光生載流子的輸運的示意圖。Ref、4F、8F膜的(h) PL和(i) TRPL圖。

MABr，EABr和PABr都經過高溫退火處理。如圖3a所示EABr和PABr處理的CsPbI₂Br薄膜的α相衍射峰和(110)峰無位移，而MABr處理的膜呈低角度位移，這可能表明EA⁺和PA⁺離子僅終止於表面，而MA⁺可以取代CsPbI₂Br晶格中的Cs⁺。UV-Vis吸收光譜(圖3b)完全符合XRD結果，EABr和PABr處理的膜具有藍移吸收，而MABr處理膜則具有紅移，這表明MABr處理可能實現與FABr處理相似的促進作用。此外，EABr和PABr處理膜具有增強的強度藍移PL峰，而MABR處理的膜呈現猝滅PL發射(圖3c)。TRPL光譜(圖3d)也顯示出與之一致的結果。因此可以得出結論，即使通過高溫退火，大離子半徑(EA和PA)也只能終止表面以抑制表面複合。

圖3.Ref，4 mg/mLEABr，2 mg/mLPABr和6 mg/mL MABr處理後的膜的(a)XRD圖譜；(b)紫外-可見吸收光譜；(c)PL圖；(d)TRPL圖。

II光伏器件性能

為了評估表面處理對光伏性能改善的有效性，製作了如圖4a所示的CsPbI₂Br的反鈣鈦礦電池。相比之下，處理後的CsPbI₂Br薄膜製備的器件表現出增強的Voc和填充因子(FF)，這可以歸因於有效鈍化和匹配的能級。在圖4b中與Ref相比，8F CsPbI₂Br器件的外部量子效率光譜顯示了吸收邊緣的紅移和長波長區的促進吸收。它對應於FA離子的摻入和陷阱密度的降低。並且如圖4d所示，與Ref相比，經FABr處理的器件顯示出Voc和FF的極大改善，這也表明通過FABr處理可抑制非輻射重組。

圖4.(a)用8F薄膜(紅線)和Ref(黑線)製作的器件的J-V曲線，插圖為器件示意圖。(b)相關器件的EQE光譜。(c)穩定的最大功率輸出與冠軍設備。(d)Ref和8F CsPbI₂Br電池的效率統計。Ref 和8F設備的(e) Mott–Schottky光譜和(f) TPV分析。

III器件穩定性

通過在控制在20％相對濕度的環境條件下，通過老化來研究器件的水分穩定性。如圖5a所示經FABr處理的器件表現出良好的水分穩定性，並且在1300小時老化後仍保持其初始效率的91.7％。而Ref則受到了明顯的衰減，在720小時為38.3％。這得益於AX的固體濕度屏蔽作用，富Br表面和FA⁺結合的固體防潮層。為了研究FABr處理是否破壞了熱穩定性，我們將器件存儲在60°C的手套箱中，並定期測量效率。如圖5b所示，處理過的設備和Ref具有相似的趨勢並在老化36d後具有93.6％的效率保持。作為太陽能電池的關鍵問題，通過MPP跟蹤，比較了相關器件在100 mW cm⁻²以下個白光LED陣列在45°C下的工作穩定性(圖5c)。經過FABR處理的器件顯示出更好的操作穩定性，在MPP跟蹤500小時後保持81.8%的開啟效率，而Ref則顯著降低。進一步的，我們用Newport在35％相對濕度環境條件下進行了MPP測量。如圖 5 d所示，未封裝的器件在跟蹤600分鐘後仍保持其初始效率的98.9％，在測量1000分鐘後仍保持78.2％的初始效率。

圖5. (a)在受控的20％濕度環境條件下測量的相關器件的水分穩定性。（b) 在60°C的熱板上老化的相應設備的熱穩定性。(c) 在45°C的光照下100 mW cm⁻²的各種設備的MPP跟蹤。(d) 在受控相對濕度35％的環境條件下使用Newport進行MPP測量。

作者簡介

宋偉傑研究員

本文通訊作者

中國科學院寧波材料技術與工程研究所

▍主要研究領域

新能源技術、功能材料與納米器件；高效硅基薄膜太陽電池技術、透明導電膜技術、薄膜器件光管理技術、光電新材料技術。

▍主要研究成果

發表SCI論文一百餘篇，授權中國發明專利二十餘項。已完成和在研多項國家級和省部級項目及企業合作項目。在多項創新平台以及學術技術組織擔任職務：寧波市硅基有機薄膜光電技術重點實驗室主任，寧波市新型顯示關鍵材料與技術創新團隊負責人，國家外專局重點引智項目評審專家，江蘇省硅材料產業技術創新戰略聯盟技術委員會專家等。獲得中國科技創業計劃大賽海創新銳獎，江蘇省科技進步三等獎，寧波市青年科技獎等多項獎項。

▍Email:weijiesong@nimte.ac.cn

▍個人主頁

weijiesong.nimte.ac.cn/swj.html

撰稿：《納微快報》編輯部

編輯：《納微快報》編輯部

Nano-Micro Letters《納微快報》是上海交通大學主辦、Springer Nature合作開放獲取(open-access)出版的英文學術期刊，主要報道納米/微米尺度相關的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微納米材料的合成表徵與性能及其在能源、催化、環境、傳感、吸波、生物醫學等領域的應用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。2019 JCR影響因子：12.264。在物理、材料、納米三個領域均居Q1區(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料學科領域排名第4 (4/120)。中科院期刊分區：材料科學1區TOP期刊。全文免費下載閱讀(http://springer.com/40820)，歡迎關注和投稿。

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