南京工业大学邵宗平&王纬Adv. Funct. Mater.: N719染料助力Cs2AgBiBr6钙钛矿太阳能电池效率突破2.84%

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率及简单廉价的制备工艺，在光伏领域掀起了新的研究热潮。经过近十年的研究发展，钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经跃升至最新认证的25.2%，与商业化的晶硅太阳能电池相当。但是钙钛矿太阳能电池较差的稳定性和铅的毒性一直是制约其商业化应用的主要障碍。基于上述挑战，稳定性优异且环境友好的全无机无铅钙钛矿是十分有前景的替代材料。
目前的一些替代材料诸如Sn基和Ge基钙钛矿由于自身的稳定性问题难以得到持续的发展；双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆最近引起了研究者的广泛关注，但由于其较大的带隙、较差的载流子传输性质以及不易控制的制备工艺等，其光电转换效率远远低于理论值，因此Cs₂AgBiBr₆无铅钙钛矿材料仍有很大的进步发展空间。

【成果简介】

近日，南京工业大学邵宗平教授、王纬教授（共同通讯作者）等人将N719染料旋涂于Cs₂AgBiBr₆薄膜上，制备了基于FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/Cs₂AgBiBr₆/ N719/Spiro-OMeTAD/Ag结构的全无机非铅钙钛矿太阳能电池。研究表明N719染料能够有效拓宽光谱吸收范围、减少薄膜表面缺陷并加速空穴提取。修饰后的钙钛矿器件光电转换效率最高可达2.84%，高于目前文献上报道的大部分Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的效率，大气环境下的工作稳定性也得到了显著改善。相关成果以题为“Simultaneous Power Conversion Efficiency and Stability Enhancement of Cs₂AgBiBr₆Lead-Free Inorganic Perovskite Solar Cell through Adopting a Multifunctional Dye Interlayer”发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图一 Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池结构示意图

(a) 基于N719修饰后器件的截面SEM；
(b) 基于N719修饰后器件的能带结构示意图；
(c, d) 修饰前后钙钛矿器件中载流子传输示意图。

图二 Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的性能测试

(a) N719修饰前后钙钛矿太阳能电池的正反扫J-V性能曲线；
(b) N719修饰前后钙钛矿太阳能电池的效率分布图；
(c) Cs₂AgBiBr₆基钙钛矿太阳能电池效率总结对比；
(d) N719修饰后钙钛矿太阳能电池的稳态光电流和效率输出曲线；
(e) N719修饰前后钙钛矿太阳能电池的EQE光谱和积分电流；
(f) N719修饰前后钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱。

图三 器件载流子传输性质表征

(a) Cs₂AgBiBr₆薄膜的PL光谱；
(b) 无光照条件下，钙钛矿太阳能电池在0.9 V偏压下的EIS谱；
(c) 在暗态条件下，钙钛矿太阳能电池的J-V曲线；
(d) 在暗态条件下，纯空穴传输器件的J-V曲线；
(e, f) 钙钛矿太阳能电池的J_sc和V_oc随光强变化曲线及其拟合曲线。

图四 钙钛矿太阳能电池的稳定性测试

(a) N2手套箱中钙钛矿太阳能电池效率变化曲线；
(b) 在大气环境下（相对湿度30-40%，温度20-30℃）老化16天，钙钛矿太阳能电池效率变化曲线。

【小结】

研究人员通过在Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池中引入N719染料，拓宽了器件的光吸收范围、钝化了钙钛矿薄膜表面缺陷、加速了空穴的提取传输并同时实现了材料能级的更好匹配，制备获得的非铅全无机钙钛矿太阳能电池效率高达2.84%，高于目前文献上报道的大部分Cs₂AgBiBr₆钙钛矿电池的效率。在大气环境下老化16天，N719修饰后的钙钛矿太阳能电池效率无明显降低。该研究为环境友好型Cs₂AgBiBr₆基钙钛矿太阳能电池的性能提升提供了一种有效且便捷的新策略，有望加速钙钛矿太阳能电池的商业化应用。

文献链接：Simultaneous Power Conversion Efficiency and Stability Enhancement of Cs2AgBiBr6 Lead-Free Inorganic Perovskite Solar Cell through Adopting a Multifunctional Dye Interlayer（Adv. Funct. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adfm.202001557）

【通讯作者简介】

邵宗平，南京工业大学化工学院教授，博士生导师。欧盟科学院院士、“国家百千万人才工程”有突出贡献的青年专家、长江学者、国家杰青。已在Nature (2)、Nature Energy (1)、Nature Commun (5)等国际期刊发表SCI论文600余篇。主要从事燃料电池、电催化、太阳能电池、光催化、锂/钠离子电池、水处理等领域的研究。

王纬，南京工业大学化工学院教授，江苏省特聘教授，硕士生导师。2013年博士毕业于南京工业大学，2013-2018年在澳大利亚科廷大学从事博士后研究。2019年入职南京工业大学从事科研和教学工作。已在Joule、Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际期刊发表SCI论文80余篇。主要从事太阳能电池、燃料电池、电催化、光催化等领域的研究。

本文由噜噜编译。