博文
西电郝跃院士团队：1.33V高开路电压全无机CsPbIBr2钙钛矿太阳电池
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Interfacial Voids Trigger Carbon‑Based, All‑Inorganic CsPbIBr2 Perovskite Solar Cells with Photovoltage Exceeding 1.33 V
Nano‑Micro Lett.(2020) 12:87 https://doi.org/10.1007/s40820‑020‑00425‑1 示意图1为制备包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的流程示意图。首先，在FTO/TiO2衬底上旋涂100 μL溶解有3 mg/mL PEAI的异丙醇溶液，在80 °C下干燥5分钟后就可得到表面有PEAI分子的衬底片样品；然后，取70 μL CsPbIBr2前驱溶液，将其旋涂沉积在上述衬底片表面；接着，将样品置于预设温度为280 ℃的热台上退火15分钟。在退火过程中，FTO/TiO2衬底表面的PEAI会发生扩散、升华，进而在TiO2/CsPbIBr2界面处留下纳米尺度的孔洞结构。作者在未沉积PEAI情况下也制备了CsPbIBr2薄膜，并将其作为对比样品。 为明确CsPbIBr2薄膜界面孔洞结构的形成机理，作者利用X射线光电子能谱(XPS)技术分别测试了在100 °C和280°C退火温度下制备的CsPbIBr2薄膜的组份，如图1(a-b)所示。结果表明，不同温度下制备的薄膜均由Cs、Pb、I、Br原子组成，但是未检测到可能残留的PEAI的组份信息。由于XPS测试只能反映样品表层的组份信息，为了进一步了解薄膜样品体相的组成，作者使用二甲基甲酰胺(DMF)将上述薄膜再次溶解干燥以消除样品中可能的组份纵向差异，然后测试了它们的XPS谱。作者发现在100 °C退火下制备的CsPbIBr2薄膜中残留一定量的PEAI分子，因为可以从中探测到它们的N 1s XPS峰(401.8 eV)。对于280 °C退火温度下制备的薄膜，即使经历了DMF二次溶解处理，也仍然从中测试不到残余的PEAI分子。这些对比研究结果启发作者形成如下观点：当CsPbIBr2薄膜经历280 °C退火处理时，预先沉积在FTO/TiO2衬底表面的PEAI分子发生扩散、升华，最终完全从CsPbIBr2薄膜中消失，继而导致CsPbIBr2薄膜界面孔洞结构的形成。此处PEAI分子起到了造孔剂的作用。为了佐证这一观点，作者使用热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)对PEAI粉末进行了热特性分析，结果如图1(c-d)所示。TGA结果表明，PEAI粉末在升温加热过程中的100%的质量损失为单步过程，起始温度为~185 °C，说明在加热过程中其无需经历复杂的分解过程即可升华。DSC曲线中的明显的吸热峰表明 PEAI粉末的升华温度约为~283°C，其与CsPbIBr2薄膜的退火温度相当。这些结果很好的说明了CsPbIBr2薄膜的退火温度足以使PEAI发生扩散、升华，进而有力地支撑了作者提出的薄膜界面孔洞结构形成的内在机制。 II 包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的形貌表征与分析 图2(b和c)为未包含和包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的表面扫描电镜(SEM)照片。可以看出两类薄膜均由紧密堆积的晶粒组成，具有完整的表面覆盖度，这有利于降低最终太阳电池中形成的短路路径的可能性。相较而言，包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的晶粒尺寸略大于未包含界面孔洞的薄膜，前者的平均晶粒尺寸为~576 nm，而后者为~475 nm。作者将这一结果归因于预先沉积的PEAI 分子降低了CsPbIBr2前驱体在衬底表面的浸润性，进而减小了CsPbIBr2晶粒的成核密度，最终形成了较大尺寸的晶粒。图2(d和e)为相应薄膜的截面SEM照片。对于没有使用PEAI而制备的CsPbIBr2薄膜，其与FTO/TiO2衬底接触紧密，界面无任何明显孔洞；而沉积PEAI后制得的CsPbIBr2薄膜，在同样界面处存在一些随机分布的孔洞结构，典型尺寸为~100 nm。这些孔洞的存在使得TiO2/CsPbIBr2界面变得粗糙。 III 包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的晶体结构、光学特性表征与分析 为进一步了解界面孔洞结构对CsPbIBr2薄膜晶体结构和光学特性的影响，作者分别测试了未包含和包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的X射线衍射(XRD)、紫外-可见(UV-vis)光吸收、光致发光(PL)和时间分辨光致发光结果，结果如图3所示。从图3(a)表明未包含和包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜中没有任何可探测的到的杂相，其均具有典型立方相钙钛矿晶体结构，因为它们位于15.1°、21.4°、26.6°、30.4°、33.8°和37.8° 的衍射峰与立方钙钛矿CsPbIBr2材料的(100)、(110)、(111)、(200)、(210)和 (211)晶面的衍射峰恰好吻合。同时，可以看到两种薄膜具有[100]择优取向，因为它们的(100)和(200)晶面的衍射峰明显较强。需要说明的是，对于立方钙钛矿材料，它们的{100}晶面通常平行于FTO/TiO2衬底表面，而晶界则垂直于这一表面而在大多数情况下贯穿于整个薄膜，这与我们在截面SEM照片中观察到的结果非常一致。另外，包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的(100)和(200)XRD衍射峰明显强于未包含界面孔洞的薄膜，说明前者中的晶粒内缺陷较少、晶界散射较弱，这与前者由尺寸较大的晶粒组成这一事实相吻合。 图3. 未包含和包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的(a)XRD、(b)UV-vis光吸收、(c)PL和(d)TRPL表征结果。 IV 基于包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的碳电极太阳电池性能表征与分析 图5. (a)碳电极全无机CsPbIBr2太阳电池的结构示意图；(b)采用不同浓度的PEAI异丙醇溶液制备的典型CsPbIBr2太阳电池的在模拟AM 1.5G标准太阳光照射下的J-V曲线；(c， d)基于未包含和包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜独立制备的20个电池的PCE和Voc统计结果；(f-g)基于未包含和包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的最优太阳电池的(f)J-V曲线、(e)EQE谱、(g)稳态输出结果；(h)手套箱氛围、85 ℃下间隔测试12小时后以及(i)在相对湿度为30%~40%的空气环境中间隔测试60天后，基于包含界面孔洞结构的CsPbIBr2薄膜的太阳电池性能变化。 朱卫东 西安电子科技大学 讲师/硕士生导师 博士后创新人才计划入选者 近期主要从事钙钛矿太阳电池、新型光电探测器相关材料与器件物理研究。 ▍主要研究成果 截止目前，以第一作者和/或通讯作者在Advanced Energy Materials、Nano Energy、J. Mater. Chem. A、Nano-Micro Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、Chem. Commun.、Dalton Trans.、Nanotechnology等国际著名期刊发表论文26篇，其中中科院一区15篇；H因子为21，论文累计引用次数560余次，单篇最高引用次数93次；获授权发明专利1项，合著专著1部。近三年，主持国家自然科学基金青年项目1项、陕西省重点研发计划(产业链)项目1项、博士后面上基金1项，参与科技部重大/重点研发计划2项；2019入选“博士后创新人才支持计划”。 张春福 本文通讯作者 西安电子科技大学 教授/博士生导师 1. 柔性电子器件及其系统集成；2. 瞬态电子器件及集成；3. 有机半导体电子器件 ；4. 新型薄膜太阳能电池。 ▍主要研究成果 近年来主持及参与自然科学基金、国防科技创新、973、国家科技重大专项、国家重点研发计划等项目20余项；在IEEE Trans. Electron Devices、Applied Physics Letters、Advanced Energy Materials、Nano Energy、Solar Energy Materials &Solar cells、ACS Applied Materials and Interfaces等国际主流期刊及学术会议上发表论文160余篇，授权国家发明专利38项，相关成果为国内外多家媒体报道；出版中文专著2部，分别入选“十二五”和“十三五”国家重点图书出版规划项目，参与出版外文专著4章。 E-mail：editorial_office@nmletters.org
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