可应用于室内/室外的低能量损失全无机钙钛矿光伏器件

全无机钙钛矿太阳能电池在最近几年取得突飞猛进的进展，但其较大的能量损失，较低的开路电压和低的光电转换效率严重限制了全无机钙钛矿太阳能电池的进一步发展。针对其能量损失过大和开路电压过低的问题，苏州大学王照奎课题组对退火后的CsPbBrI₂薄膜旋滴(NH₄)₂C₂O₄·H₂O溶液，并再次退火促使晶粒的二次生长。成功制备了超微米晶粒尺寸、低缺陷态浓度的薄膜，有效改善了薄膜中的载流子输运动力学过程和理想因子。成功将全无机钙钛矿太阳能电池的能量损失降低到了0.64 eV（参考器件为0.80 eV）。器件在标准太阳光下光电转换效率达到了16.55%（开路电压未1.24 V）,远高于参考器件的13.27%（开路电压仅为1.10 V）。同时，处理后的器件还展示了在弱光条件下出色的光电性能，在强度为1000 lux的荧光灯下获得了目前最高的光电转换效率达到了28.48%（参考器件仅为19.05%）。该研究工作已在Sicence Bulletin 在线报道。

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钙钛矿太阳能电池在近几年得到了飞速发展，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其在光、热条件下有机官能团的不可逆分解而限制其在实际环境中的运用。全无机钙钛矿凭借出色的热稳定性、光稳定性和优异的光电效率（＞19%）成为了钙钛矿光伏领域的一大明星。但是，全无机钙钛矿太阳能电池的发展也面临着不少的挑战。比如，在潮湿环境下的黑相全无机钙钛矿很容易发生相转化成无用的黄相钙钛矿。同时，全无机钙钛矿薄膜由于成膜过快还会导致较多的缺陷进而导致大的能量损失（0.7–0.9 eV），这主要体现为开路电压过低（1 V左右）。也就是说全无机钙钛矿太阳能电池要进一步发展，就必须解决其湿稳定性和大能量损失的问题。通常提升湿稳定性的方法可用封装和表面疏水剂处理等方法。对于开路电压的提升，一方面可以调节钙钛矿和传输层的能级。另一方面，也可以改善钙钛矿薄膜的结晶（晶粒），减少膜层缺陷态密度，进而减少能量损失。

在这样的背景下，苏州大学王照奎课题组采用旋滴溶液二次退火处理钙钛矿薄膜，促使薄膜进行二次生长。成功制备了超微米晶粒尺寸、低缺陷态浓度的钙钛矿薄膜。用此薄膜制备的全无机钙钛矿太阳能电池展现出了出色的室内（PCE: 16.55%@AM 1.5G）/室外光伏（PCE: 28.48%@1000 lux）性能，并具有出色的稳定性。

图1 实验流程和机理示意图. (a)全无机钙钛矿光伏器件结构示意图。(b) (NH₄)₂C₂O₄·H₂O结构示意图。(c) 晶粒二次生长示意图。

图2展示了超微米晶粒尺寸钙钛矿薄膜SEM和XRD特征图，二次处理后的晶粒尺寸达到2微米以上，XRD图谱也显示其出色的结晶。

图2 薄膜形貌及结晶度测试。(a–d)不同浓度(NH₄)₂C₂O₄·H₂O处理后钙钛矿薄膜的SEM图谱。2 mg/mL  (NH₄)₂C₂O₄·H₂O处理后的钙钛矿薄膜展现出了最大的晶粒尺寸(平均晶粒尺寸2.56 微米). (e)不同浓度处理后薄膜XRD图谱。

图3展示了处理后器件具有高开路电压、低能量损失、低理想因子和出色的室内/室外光电性能。

图3 器件光电性能。标准太阳能光下处理前后器件的J-V曲线(a)，器件光电转换效率、开路电压统计(b)，器件OCVD测试(c)。不同浓度处理后器件能量损失统计(d)，处理前后器件暗电流测试、处理后器件有着更小的理想因子(e)。(f)在弱光条件下(1000 lux)器件J-V曲线。

资助机构：国家重点研发计划（2016YFA0202400）、国家自然科学基金（61674109）、江苏省自然科学基金（BK20170059）。

更多详情请阅原文：Kai-Li Wang, Xiao-Mei Li, Yan-Hui Lou, Meng Li, Zhao-Kui Wang, CsPbBrI₂ Perovskites with Low Energy Loss for High-Performance Indoor and Outdoor Photovoltaics, Science Bulletin, 2020, doi: 10.1016/j.scib.2020.09.017

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