北京大学Nano Energy：含低维钙钛矿中间层的高效无铅FASnI3钙钛矿太阳能电池

【引言】

如今，由于化石燃料的使用造成的环境问题日益加剧，可持续能源引起了人们的广泛的关注，太阳能因其清洁环保成为研究的热点，太阳能电池是对太阳能直接利用的方式之一。近年来，有机无机杂化钙钛矿电池因为快速增长的转换效率，优异的器件性能和独特的光电性质吸引了研究人员的广泛研究，最新的太阳能电池认证效率达到22.7%，已经可以和传统的硅基电池媲美。然而，铅的毒性是限制其商业应用的致命弱点。因此，寻找高效无铅钙钛矿太阳能电池是亟待解决的问题。

【成果简介】

近日，Nano Energy在线发表了北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室朱瑞研究员（通讯作者）团队的题为“Low-dimensional perovskite interlayer for highly efficient lead-free formamidinium tin iodide perovskite solar cells”的文章。北京大学物理学院博士研究生陈科和伍攀为该论文的共同第一作者。在这项研究工作中，研究者创新性地在无铅钙钛矿吸光层和空穴传输层中间引入低维钙钛矿中间层，有效地改善了界面处钙钛矿薄膜的形貌并且减少了缺陷态，抑制了器件中载流子的积累和复合，最终得到效率高达7.05%的无铅FASnI₃钙钛矿太阳能电池。

【图文导读】

图1：低维钙钛矿中间层简介

a: 引入低维钙钛矿（LDP）中间层的流程示意图

b: 通过XRD辅助确认形成了低维钙钛矿，没有 PEABr的衍射强度被放大了40倍（插图：衍射角2θ为5.8°附近的放大图，添加PEABr之后明显多了一个衍射峰）

c: 低维钙钛矿在界面处的示意图

图2：钙钛矿形貌的SEM表征，通过改变溶液浓度控制薄膜的厚度

a：无LDP，浓度为0.15M；b：无LDP，浓度为0.30M；c：无LDP，浓度为0.60M

d：有LDP，浓度为0.15M；e：有LDP，浓度为0.30M；f：有LDP，浓度为0.60M

标尺：2μm

图3：无铅FASnI₃钙钛矿太阳能电池的器件结构和光伏性能

a：器件结构示意图

b：电流密度-电压曲线对比，橙色：有LDP；青色：无LDP

c：有LDP器件在最大功率点附近的稳态输出

d：器件的光电流正反扫曲线。橙色：有LDP，青色：无LDP；空心三角：正向；实心三角：逆向

图4：LDP对界面附近缺陷态的钝化效应的荧光（PL）表征

a：PEDOT:PSS/FASnI₃样品的稳态荧光光谱

b：PEDOT:PSS/FASnI₃样品的时间分辨荧光光谱

橙色：有LDP；青色：无LDP，激发条件：波长为450nm的激光从ITO一侧激发样品

图5： LDP钝化导致的减少缺陷态密度和抑制载流子复合的示意图

a：LDP钝化诱导的缺陷态减少的示意图

b：直接测量缺陷态密度的单空穴器件的J-V曲线，橙色：有LDP；青色：无LDP

c：开路电压与光强的关系曲线，橙色：有LDP；青色：无LDP

d：短路电流密度与光强的关系曲线，橙色：有LDP，青色：无LDP

【小结】

这个研究工作中，界面低维钙钛矿结构的引入，有效地改善了薄膜形貌并且减少了缺陷态，此类缺陷钝化有效地抑制了器件中载流子的积累和复合，最终得到具有稳定输出功率、效率高达7.05%的无铅FASnI₃钙钛矿太阳能电池。该项工作有效地通过界面缺陷钝化和低维钙钛矿的结合提高了无铅钙钛矿太阳能电池的效率，为研发高效太阳能电池提供了新的思路。

【文献链接】：Low-dimensional perovskite interlayer for highly efficient lead-free formamidinium tin iodide perovskite solar cells(Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.05.006)

【通讯作者简介】

朱瑞，北京大学物理学院现代光学研究所，研究员，博士生导师，入选中组部“青年千人”计划（第五批），获国家基金委“优青”资助（2017年）。1999-2003年，本科毕业于南京大学；2003-2007年，博士毕业于复旦大学先进材料研究院（物理化学专业），期间作为访问学生赴华南理工大学材料学院、中国科学院长春应用化学研究所等单位开展交流学习；2007-2009年，于新加坡国立大学从事博士后研究；2009-2012年，于美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究；自2013年起，加入北京大学物理学院现代光学研究所，从事新型太阳能电池和透明导电电极技术等方向的研究。近年来，在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nature Photonics、Nature Communications、Nano Letters、ACS Nano、Energy & Environmental Science等国际重要学术刊物上发表学术论文60余篇，总引次数超过5000次，H因子29。

课题组主页

http://www.phy.pku.edu.cn/~zhurui/index.htm

本文由材料人编辑部新人组Qin编辑，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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