对CsPbI3进行Na元素掺杂效率达10.7%丨CellPress对话科学家

CsPbI3是目前禁带宽度最优的无机钙钛矿材料，但基于CsPbI3的C-PSCs的效率较低，这主要受限于CsPbI3薄膜的晶体质量差以及其与碳电极能级匹配度低。

为此，北京航空航天大学陈海宁副教授研究团队联合香港科技大学杨世和教授，提出通过对CsPbI3进行Na元素掺杂来解决以上问题，提高电池的转换效率。相关研究以 “Natrium Doping Pushes the Efficiency of Carbon-Based CsPbI3 Perovskite Solar Cells to 10.7%“为题，发表在Cell Press细胞出版社旗下跨学科开放获取期刊iScience上。

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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）自从2009年被发明以来，已经取得了飞速的发展，转换效率（超过24%）已经非常接近晶体硅太阳能电池，但稳定性差的问题严重制约了其实际应用。基于碳电极的钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）去除了影响器件稳定性的有机空穴传输层，是较有前途的器件结构。通过采用稳定性更高的无机钙钛矿取代C-PSCs中的有机-无机杂化钙钛矿，有望进一步提高C-PSCs的稳定性（尤其是热稳定性），促进C-PSCs的商业化发展。

论文图片摘要

Cell Press细胞出版社官方微信公众号对论文主要作者北京航空航天大学陈海宁副教授进行了专访。

作者专访

Cell Press：您的团队最初是如何想到通过掺入Na来提升无空穴传输层的碳基CsPbI3钙钛矿太阳能电池效率的？

陈海宁副教授：在掺杂Na的研究之前，我们对CsPbI3钙钛矿已经进行了一年多的研究，也发表过相关论文。研究过程中我们意识到CsPbI3晶体质量差及其与碳电极能级匹配度低是导致碳基CsPbI3钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）效率低的两个主要原因，而要同时解决以上两个问题，元素掺杂是重要的思路。在选择掺杂元素时，同一族元素的部分替换是我们首先想到的，而研究与Cs元素同一族的元素掺杂时，发现 了Na元素在掺杂CsPbI3过程中的积极作用。

Cell Press：研究过程是否顺利？期间曾遇到哪些技术难点？是如何解决的？

陈海宁副教授：该工作的总体研究过程还算顺利，但在对CsPbI3材料进行表征时遇到了问题。CsPbI3的钙钛矿相结构不稳定，尤其是当材料放置于大气环境中时，一定环境湿度就会加快其从黑色光伏相向黄相转变。而NaI具有较强吸湿性，会进一步促进黑相向黄相的转变。如果对试样保存不当，存在的部分黄相将影响黑相性质的测试结果。为此，我们除了在转移试样过程进行干燥保存和减少大气环境暴露时间外，还对每一项测试进行多次重复实验，以确保测试结果的准确性和真实性。

Cell Press：这项成果对于实际应用来说有何重大意义？

陈海宁副教授：该工作属于应用基础研究，离实际应用还有一段距离。但在各种PSCs器件结构中，基于无机钙钛矿的C-PSCs因为具有较高的稳定性，是最具实际应用前景的器件之一。具有最优禁带宽度的CsPbI3有望在C-PSCs获得高的效率和稳定性，Na掺杂成功提高CsPbI3晶体质量且增加界面能级匹配度为后期通过元素掺杂进一步提高C-PSCs效率提出了可能，这将有利于促进无机钙钛矿C-PSCs向实际应用发展。

Cell Press：您的团队接下来的研究计划是怎样的？

陈海宁副教授：我们团队近几年一直致力于高稳定和高效率的无机钙钛矿C-PSCs的研究。早期我们率先将无机钙钛矿CsPbBr3应用于C-PSCs，证明了无机钙钛矿在C-PSCs中的应用是可行。随后，我们通过前驱体选择、元素掺杂等方法提升了CsPbI3材料稳定性和晶体质量，提高了C-PSCs的效率和稳定性。基于前期研究的基础，我们接下来将仍然致力于高性能无机钙钛矿C-PSCs的研究，侧重于通过元素掺杂来提高CsPbI3晶体质量并调整能级结构，同时通过化学修饰来减少CsPbI3晶体缺陷，以进一步提高器件的效率和稳定性。

Cell Press：您对于目前从事能源材料研究的年轻/初级科研人员有何建议？

陈海宁副教授：其实我自己也属于年轻科研人员，所以还无法给其他年轻科研人员提出成熟的建议。但我可以分享一下我自己在选择这个研究方向时的一些考虑，希望为部分年轻科研人员所参考。我博士后阶段研究是基于有机-无机杂化钙钛矿的C-PSCs，而我成立自己课题组后，研究重点是基于无机钙钛矿的C-PSCs。

这里面有两个方面的考虑，一个是要和我博士后阶段的研究方向有所区别，和博士后导师研究方向有所不同。第二个方面是，当时基于无机钙钛矿的PSCs研究较少，电池效率较低，且没有在C-PSCs器件中应用的报道，而相关研究表明无机钙钛矿具有较高的稳定性，特别是热稳定性，当时意识到了无机钙钛矿PSCs和C-PSCs将具有很大的研究空间。为此，我选择了无机钙钛矿C-PSCs作为主要研究方向。希望我自己在研究方向选择上的考虑可以为部分年轻科研人员提供参考。

关于 陈海宁副教授

陈海宁，北京航空航天大学材料科学与工程学院副教授（北航卓越百人计划）、博士生导师。主要研究方向为钙钛矿太阳能电池和电催化分解水。至今作为第一/通讯作者出版英文书籍一章，发表SCI论文超过70篇，论文总引用数超过3600次，H因子34。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊跨学科开放获取期刊iScience上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Natrium Doping Pushes the Efficiency of Carbon-Based CsPbI3 Perovskite Solar Cells to 10.7%

论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30122-1

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.04.025

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