谭海仁教授Nature Energy：刷新无机钙钛矿电池记录！

成果介绍

运行稳定性已成为全钙钛矿串联太阳能电池的首要问题。无机CsPbI_3-xBr_x钙钛矿具有良好的抗卤化物偏析的光稳定性，是全钙钛矿串联太阳能电池的理想替代品。

然而，与杂化类似物相比，由于有机传输层与无机钙钛矿之间的界面存在较大的能级差异，光载流子产生、利用受到抑制，从而导致开路电压和填充因子较低。

南京大学谭海仁教授、多伦多大学Edward H. Sargent教授等人研究发现，在这个界面插入一个具有高分子极性的钝化偶极子层——一个与无机钙钛矿和C₆₀产生强烈相互作用的分子，不仅减弱了能级差异，同时还加速了电荷分离。

该策略使宽带隙(WBG)器件的功率转换效率(PCE)达到18.5%。本文报道的无机WBG的全钙钛矿串联电池，其PCE可以达到25.6%(稳态25.2%)。封装的串联电池可在最大功率点下稳定运行1000小时后，仍能保持其初始性能的96%。

相关工作以Inorganic wide-bandgap perovskite subcells with dipole bridge for all-perovskite tandems为题在Nature Energy上发表论文。

图文介绍

图1. 表面钝化与界面电荷传输的DFT计算

在这里，作者将π共轭分子结构插入钙钛矿/C₆₀界面(图1a)。从常用的钝化苯乙基铵(PEA)阳离子开始，作者试图通过在氨基的对位引入F原子{4-氟苯乙基铵(F-PEA)}或CF₃基团{4-(三氟甲基)苯乙基铵(CF₃-PEA)}来调节电偶极矩。

对于这种类型的铵配体，它们的-NH₃⁺一侧倾向于与钙钛矿表面相互作用，而另一侧则与C₆₀接触层相互作用。

DFT计算被用于了解每种钝化剂的分子结构如何影响钙钛矿/ETL界面上的缺陷钝化和电荷输运。在三种钝化分子中，与PEA、F-PEA相比，CF₃-PEA通过占据铯空位位置、与钙钛矿结合最强。

为了研究钝化分子对界面电荷输运的影响，作者研究了C₆₀层与钙钛矿表面的相互作用以及钙钛矿/C₆₀界面的电荷提取。

如图1d所示，封顶钝化剂引起了显著的电荷再分配。当被PEA分子钝化时，C₆₀分子内的电荷积聚被抑制，而在F-PEA和CF₃-PEA钝化钙钛矿的情况下，电荷积聚进一步促进。

这说明C₆₀与CF₃-PEA钝化钙钛矿之间的相互作用是三种钝化剂中最强的，能够降低器件电荷转移电阻，加速界面电荷转移。

图2. 偶极层CsPbI_3-xBr_x钙钛矿太阳能电池的光伏性能

图2a和表1比较了对照和钝化太阳能电池的PV参数。典型的钝化剂PEA能轻微改善VOC，但降低了短路电流密度(J_SC)和FF，导致PCE只有轻微改善。

值得注意的是，F-PEA和CF₃-PEA显著改善了器件的VOC和FF，而J_SC没有恶化。使用CF₃-PEA的器件表现出高达1.23 V的VOC，与控制器件相比增益为220 mV。

伴随着显著的FF改善(80.7%至82.8%)和高J_SC(18.1 mA cm^-2)，CF₃-PEA器件实现了18.5%的高PCE，带隙约为1.8 eV。CF₃-PEA器件的稳态PCE为18.3%，与J-V扫描确定的PCE匹配良好。用外量子效率(EQE)计算的J_SC值与J-V测量值吻合较好(图2b)。

另外，对照、PEA、F-PEA和CF₃-PEA器件的滞回指数分别为13.9%、11.1%、4.0%和3.0%。CF₃-PEA器件具有最低的滞回指数，这优于之前报道的高性能全无机PSCs。据此可以认为这是由于CF₃-PEA的缺陷钝化和钙钛矿/C₆₀界面的能级差异得到改善。

表1. 光伏性能参数

使用强度相当于100 mW cm^-2的多色LED太阳模拟器，通过连续跟踪室温条件下的MPP，研究了全无机CsPbI_3-xBr_x PSCs的运行稳定性。封装的CF₃-PEA器件在MPP运行2000小时内仍保持其初始PCE(图2d)。

图3. CsPbI_3-xBr_x钙钛矿薄膜的表征

接下来，作者试图表征CsPbI_3-xBr_x钙钛矿薄膜的形态和晶体结构，以揭示钙钛矿与钝化剂之间的相互作用。SEM图像显示钝化后，薄膜的形态不变(图3a)。钝化处理不影响整体结晶度，没有形成新的相，从XRD谱图可以证明(图3b)。

利用XPS测定了原始CsPbI_3-xBr_x薄膜的元素组成和电子结构。图3c、d所示的N 1s和F 1s的XPS谱表明钝化膜表面存在钝化剂分子。对照膜的Pb 4f XPS谱在138.06 eV和142.92 eV处有两个主峰，分别对应于Pb 4f_7/2和4f_5/2轨道。

在PEA钝化膜中，Pb 4f峰值向高结合能方向移动了0.08 eV，而F-PEA和CF₃-PEA钝化膜向低结合能方向移动了0.07 eV和0.14 eV(图3e)。

而在Cs 3d、I 3d和Br 3d的XPS谱中，均显示出相同的趋势。在各钝化剂的钙钛矿膜中，Cs的结合能位移在各表征元素中最大，说明钝化剂与Cs的相互作用更强。

图4. 不同偶极层钙钛矿膜的光致发光性能

利用稳态光致发光(PL)和时间分辨光致发光(TRPL)研究了CsPbI_3-xBr_x薄膜的辐射重组和载流子转移行为。钝化的CsPbI_3-xBr_x薄膜表现出抑制缺陷诱导的非辐射重组，这可以从PL强度的增加得到证明(图4a)。

如图4b所示，涂有C₆₀的CF₃-PEA膜显示出PL增强，这表明C₆₀诱导的重组没有对照组那么多。这是由于表面缺陷的钝化和C₆₀和钙钛矿表面之间的能级不匹配所致。

图4c展示了钙钛矿/C₆₀结的TRPL，从中计算了差异寿命(图4d)，以区分电荷分离与重组。

在较短时间内的第一个间隔主要是电子从本体转移到C₆₀，在较长的延迟时间内的第二个间隔主要是界面重组。CF₃-PEA/C₆₀的发射强度急剧下降表明界面处电子转移有效，而高能平台则表明陷阱密度降低。

图5. 单片全钙钛矿串联太阳能电池性能研究

作者使用CF₃-PEA钝化的CsPbI_3-xBr_x钙钛矿制备了单片全钙钛矿串联太阳能电池(图5a、b)。在VOC为2.00 V、J_SC为16.1 mA cm^-2和FF为79.6%的反扫描条件下，该串联设备的PCE为25.6%。串联装置在120秒内的PCE稳定在25.2%(图5e)。图5f为多个批次加工的50块串联太阳能电池的PCE直方图，平均PCE为24.3%，可重复性好。

文献信息

Inorganic wide-bandgap perovskite subcells with dipole bridge for all-perovskite tandems，Nature Energy，2023.

https://www.nature.com/articles/s41560-023-01250-7

原创文章，作者：科研小搬砖，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/09/972b20496b/

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