中国海大贺本林/暨南大学唐群委 Small：Cs-Pb-Br衍生物的精确相调控制备高性能全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池

点击蓝字关注我们

近十年来，钙钛矿太阳能电池迅猛发展，其光电转化效率已由最初的3.8%提升至25.6%，但稳定性是阻碍其商业化的瓶颈之一。采用全无机CsPbBr₃钙钛矿作为吸光层显著改善了器件稳定性，但是，在外部条件刺激(例如高温退火或溶剂剥夺)下，三维(3D)CsPbBr₃、二维(2D)CsPb₂Br₅和零维(0D)Cs₄PbBr₆之间始终存在着可逆的相变反应，因此制备的钙钛矿薄膜中不可避免地同时存在着上述三种衍生相，而0D Cs₄PbBr₆的存在往往造成大量的电荷复合中心，限制了全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池性能的进一步提升。

成果简介

近日基于上述问题，中国海洋大学贺本林&暨南大学段加龙、唐群委等人通过理论计算首次确定了Cs-Pb-Br衍生物中多相转化的吉布斯自由能(∆G)，结果表明只有立方相CsPbBr₃在加热条件下才能和CsBr自发反应形成0D Cs₄PbBr₆。由此该团队提出了一种简化的多步溶液旋涂法——通过去除重复的退火过程来制备高质量的CsPbBr₃钙钛矿薄膜，从而实现了从正交相CsPbBr₃到立方相CsPbBr₃的相变，并有效地抑制了Cs₄PbBr₆相(电荷复合中心)的生成。同时，在CsPbBr₃/碳电极界面引入新型2D ReSe₂ 纳米片空穴材料进一步提高电荷提取，使碳基全无机CsPbBr₃ PSC获得了10.67%的高光电转换效率，并且未封装的器件在高温高湿的环境下放置1200 h后仍然表现出良好的长期稳定性。这项工作不仅有助于加深对Cs-Pb-Br衍生物形成机制的理解，而且为建立空气稳定的全无机CsPbBr₃ PSC提供了一条新的途径。相关成果以题目“Phase Control of Cs-Pb-Br Derivatives to Suppress 0D Cs₄PbBr₆ for High-Efficiency and Stable All-Inorganic CsPbBr₃ Perovskite Solar Cells”发表在化学和材料领域权威刊物Small杂志上，中国海洋大学2018级硕士研究生朱景伟为第一作者，中国海洋大学贺本林副教授、暨南大学段加龙副研究员以及唐群委教授为本文的共同通讯作者。

图文导读

图一 电池器件的组装过程及相关表征

（a）理论计算的不同相变反应过程的∆G值。

（b）基于优化的多步旋涂法制备CsPbBr₃钙钛矿薄膜的流程示意图。

（c）旋涂不同次数CsBr的Cs-Pb-Br薄膜在退火处理后的表面SEM图。

（d）未退火处理以及（e）退火处理后的不同Cs-Pb-Br薄膜的XRD图。

图二 0D Cs₄PbBr₆衍生相对全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池内部电荷传输动力学的影响
 

（a）全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的断面SEM图。

（b）基于不同Cs-Pb-Br薄膜制备的电池器件的J-V曲线。

（c-d）基于CsPbBr₃及Cs₄PbBr₆-rich两种电池器件的J-V曲线和暗态J-V曲线。

（e-f）基于CsPbBr₃及Cs₄PbBr₆-rich两种钙钛矿薄膜的PL和TRPL图谱。

（g）0D Cs₄PbBr₆诱导载流子复合的机制。

图三  0D Cs₄PbBr₆衍生相作为电荷复合中心的机制探究

（a-f）基于CsPbBr₃及Cs₄PbBr₆-rich两种钙钛矿薄膜的AFM、KPFM等表征。

图四 基于ReSe₂ 界面修饰的全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的光伏性能表征

（a）基于ReSe₂界面修饰的全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的结构图。

（b）基于ReSe₂界面修饰的全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的能级图

（c）不同电池器件的J-V曲线。

（d）不同电池器件的IPCE曲线。

（e）不同电池器件的稳态输出曲线。

（f）不同电池器件的性能参数分布图。

图五 电池的稳定性能

（a-c）不同电池器件分别在RH = 80%，T = 20 ^oC；RH = 0%，T = 85 ^oC；持续光照下的长期稳定性。

作者简介

向上滑动阅览

唐群委，主要从事新型能源材料与装备的应用基础研究和工程化应用。以第一完成人获授权国家发明专利22件；获教育部科学技术奖二等奖、云南省科学技术奖一等奖、山东省高等学校科学技术奖自然科学奖一等奖、青岛市自然科学奖二等奖等多项科研奖励；主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目、国家自然科学基金云南联合基金项目、国家自然科学基金面上项目、青岛海洋科学与技术国家实验室主任基金项目、广东省杰出青年基金项目、山东省杰出青年基金项目、青岛西海岸新区高层次创新创业项目等20余项课题；以第一/通讯作者在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等材料和化学领域权威刊物发表JCR一区论文200余篇，SCI引用9900余次，H指数为53；以第一著作人出版《光电子材料与器件专著》1部并入选“十二五”国家重点图书出版规划项目，在Wiley出版社出版英文著作1章；被评为英国皇家化学会高被引作者（Top 1%）；率先研发成功了风光建筑一体化、混合能量采集太阳能电池，相关研究成果多次被中央电视台、新华社、科技日报、科技部等权威媒体和机构报道；在国际（国内）学术会议做特邀报告50余次并承办2016、2017、2018年度全国太阳能材料与太阳能电池学术会议；被科技部聘为国家重点研发计划会评专家、国家科学技术奖评审专家，被教育部聘为中国博士后科学基金评审专家，被广东省科技厅、教育厅分别聘为广东省杰出青年基金会评专家、广东省普通高校重点领域专项评审专家；入选全球终身科学影响力排行榜、中国高被引科学家、中国大陆材料领域科学家50强、全球顶尖前10万科学家排名（第8273位），担任中国硅酸盐学会薄膜与涂层分会理事。

贺本林，中国海洋大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师。主要从事全无机钙钛矿太阳能电池的研究工作，以第一或通讯作者在J. Mater. Chem. A.、Small和Chem. Eng. J.等国际知名期刊发表SCI论文50余篇，论文总引用1900余次，4篇为ESI高被引论文，h-index为28，授权发明专利2项，主持国家自然科学基金等多项科研项目。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106323

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。