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《科学》发表上海交通大学赵一新团队的无机钙钛矿太阳能电池最新研究成果

2019年8月9日,Science(《科学》)在线发表了上海交通大学赵一新团队在CsPbI3全无机钙钛矿太阳能电池最新研究成果:“Thermodynamically stabilized β-CsPbI3–based perovskite solar cells with efficiencies >18%”,(《热力学稳定的β-CsPbI3基钙钛矿太阳能电池效率逾18%》)。

该研究论文第一作者为上海交通大学环境科学与工程学院博士后王勇。上海交通大学为第一完成和通讯单位。合作单位包括瑞士洛桑联邦理工学院Gr?tzel教授、日本冲绳理工大学戚亚冰教授、吉林大学张立军教授以及上海光源高兴宇研究员团队。

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近年来,有机无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池效率获得了快速提升,但其化学稳定性差、易分解严重阻碍其商业化应用。相比之下,全无机CsPbI3钙钛矿具有优异的化学稳定性,即使耐受400度高温也不发生分解,并且~1.7eV 带隙的全无机CsPbI3钙钛矿是和广泛使用的~1.1eV带隙的晶硅构建叠层太阳能电池的理想材料。但是,全无机CsPbI3钙钛矿面临结构容忍因子过小导致的体相稳定性差,钙钛矿材料缺陷多以及其器件能级匹配不理想引发的器件效率较低这两大关键挑战。赵一新团队在前期研究中,率先证明了可以通过维度调控、有机阳离子表面端基化等方法挤压Pb-I八面体提高容忍因子,从而获得良好的相稳定性(Sci. Adv., 2017, 3, e1700841)。提出了一种新的Br梯度掺杂提高容忍因子并钝化I缺陷的机制,大幅提高了CsPbI3钙钛矿的相稳定化,获得了17%的无机钙钛矿太阳能电池器件效率纪录(J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 12345)。

赵一新团队基于材料晶相的精准表征与理论计算,发现β相CsPbI3比γ相CsPbI3具有更加优异的相稳定性和光伏性能。其次赵一新团队提出了利用有机阳离子诱导调控CsPbI3结晶动力学的科学策略,成功解决了β相CsPbI3合成难题,实现了在温和条件下获得高质量的β相CsPbI3钙钛矿。该热力学稳定的β-CsPbI3钙钛矿同时具有高度(110)晶面取向利于电荷传输(图1所示)。与立方晶相的α-CsPbI3相比,隶属于四方晶系同时具有高度(110)晶面取向的β-CsPbI3晶体对称性有所下降:Pb-I八面体表现出一定程度的扭曲,但又低于正交结构的γ-CsPbI3中Pb-I八面体扭曲程度。赵一新团队和吉林大学张立军团队合作,基于理论计算揭示了CsPbI3全无机钙钛矿中α、β、γ三种晶相中Pb-I八面体扭曲程度不同是导致晶体结构和带隙差异的关键,特别是从理论上指出β-CsPbI3会拥有更窄的带隙,和实验结果一致。赵一新团队和上海光源高兴宇杨迎国团队通过同步辐射实验合作,揭示了纯相的β-CsPbI3表现出比之前报道的α-CsPbI3和γ-CsPbI3更佳的本征相稳定性。

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图1. β-CsPbI3全无机钙钛矿材料和结构表征

赵一新团队和洛桑联邦理工学院Gr?tzel团队、冲绳理工大学戚亚冰团队进一步提出了裂纹界面工程方法。不同于之前仅能对钙钛矿上表面进行钝化修饰的常规界面工程,裂纹填充界面工程在对β-CsPbI3上表面进行处理的同时,还可利用初始β-CsPbI3薄膜中存在的孔洞、缺陷等进行填充,通过这些微通道使碘化胆碱均匀分布于β-CsPbI3上下表层和内部(图2),可以实现钙钛矿全方位的修饰改性。这些全方位分布的碘化胆碱不但全面钝化了β-CsPbI3层缺陷,而且优化了β-CsPbI3与电荷传输层之间的能级匹配,从而大幅度改善了器件的光伏性能。最终,基于缺陷修复和能级优化后的β-CsPbI3全无机钙钛矿电池获得了>18%光电转换效率,经中国计量院第三方认证的最高效率18.3%,是当前无机钙钛矿太阳能电池的最高值。这些研究成果对无机钙钛矿太阳能电池和其他钙钛矿材料光电应用具有重要指导意义。

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图2. 裂纹填充界面工程处理后β-CsPbI3全无机钙钛矿

该研究得到国家自然科学基金(21777096,51861145101)、教育部霍英东青年教师基金(151046),上海市教委曙光人才计划(17SG11)和中国博士后科学基金(2017M621466)等项目的资助。同时,也获得上海交通大学变革性分子前沿科学中心和上海污染控制与生态安全研究院的大力支持。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591

环境科学与工程学院
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