JACS：用氟代甲脒-碘化锡与铵-碘化铅结合制备高效低带隙的钙钛矿太阳能电池

【引语】

有机–无机铅（Pb）卤化物钙钛矿太阳能电池（PVSCs）由于其低温处理过程和高能量转换效率（PCEs）而成为一种很有前途的低成本光伏技术。PCE在过去的几年中已经显著提高，当前记录为22.1%。推动单结太阳能电池PCEs超越Shockley–Queisser限制最有前途的方法是制备基于钙钛矿的串联太阳能电池。铵（MA）和氟代甲脒（FA）铅卤化物钙钛矿由于其带隙可调的性质令人印象深刻。通过调节不同的溴（Br）：碘（I）比，铅钙钛矿混合卤化物的带隙范围为1.58-2.2 eV，适用于串联太阳能电池的顶部电池。通过调节锡：铅的比例，混合锡、铅的钙钛矿带隙能从1.17 eV变化到1.55 eV，适用于串联电池的底部电池。因此，目前用低温溶液过程处理卤化物钙钛矿用于制造超高效低成本的多晶硅串联电池是一个非比寻常的机遇。到目前为止，已报告的大多数钙钛矿型串联太阳能电池使用的宽带隙的钙钛矿型电池为顶电池和窄带隙非钙钛矿太阳能电池作为底层电池，包括硅（Si）、铜铟镓硒（CIGS）和聚合物基太阳能电池。而在这之中对于制作钙钛矿-钙钛矿串联电池的研究较少。这些尝试中，用于底层电池的钙钛矿型吸收层没有窄带隙，这从根本上限制了串联太阳能电池的性能。制备高效全钙钛矿串联太阳能电池不足主要是由于制造高效窄带隙PVSCs在很大程度上的滞后。相比之下，高效的宽带隙PVSCs发展得却很好。然而，这并不是串联电池应用的理想选择。

【主要内容】

近日，美国托莱多大学的Yanfa Yan、Dewei Zhao和东南大学的熊仁根教授联合在J. Am. Chem. Soc上发文，题为“Fabrication of Efficient Low-Bandgap Perovskite Solar Cells by Combining Formamidinium Tin Iodide with Methylammonium Lead Iodide”。 本文提出了用氟代甲脒-碘化锡与铵-碘化铅结合制备高效低带隙的钙钛矿太阳能电池。

研究人员提出使用的前体结合氟代甲脒碘化锡（FASnI₃）和铵碘化铅（MAPbI₃）制作高效混合锡-铅钙钛矿太阳能电池。通过正（逆）电压扫描得到，其中性能最佳的电池使用（FASnI₃）_0.6（MAPbI₃）_0.4吸收层与∼1.2 eV的吸收边实现功率转换效率（PCE）15.08（15.00）%和0.795（0.799）V的开路电压、短路电流密度为26.86（26.82）mA/cm²，以及填充因子为70.6（70）%。且50个电池的平均PCE达到14.39±0.33%，说明重复性较好。

【图文导读】

图一： (FASnI₃)_1−x(MAPbI₃)_x的合成

（a）(FASnI₃)_1−x(MAPbI₃)_x前驱体的合成示意图。

（b，c，d）(FASnI₃)_1−x(MAPbI₃)_x钙钛矿薄膜（x = 0.0、1.0、0.4）的SEM图像。

图二： (FASnI₃)_1−x(MAPbI₃)_x的表征

(FASnI₃)_1−x(MAPbI₃)_x（x = 0.0、0.2、0.4、0.6、0.9和1.0）钙钛矿的（a）XRD图谱；（b）吸收谱；(c) 归一化光致发光光谱。

图三： (FASnI₃)_1−x(MAPbI₃)_x的表征

（a）(FASnI₃)_1–x(MAPbI₃)_x（x = 0、0.4、1）的时间分辨光致发光（TRPL）衰减。

（b）整个装置的断面扫描电镜图像，其中(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4作为吸收层。

图四： 电池性能检测

（a）在100 mW/cm²AM1.5G光照，反向和正向电压扫描下测得的电池J-V曲线；

（b）外量子效率和完整的J_sc；

（c）在0.648 V恒定的偏置下稳态光电流和PCE，性能最好的窄带隙太阳能电池使用(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4作为吸收层；

（d）测定使用(FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4作为吸收层的50个电池的PCEs直方图。

【总结】

研究人员开发了将FASnI₃前驱体与MAPbI₃前驱体相结合成一种新型前体。运用这个新的前体沉积高质量的窄带隙混合锡-铅钙钛矿薄膜，从而制备高效窄带隙混合锡-铅钙钛矿太阳能电池。其中性能最好的电池吸收层的带隙∼1.2 eV，其PCE超15%。窄带隙、高效率、高重复性的达成是实现高效率的全钙钛矿结构的串联太阳能电池的重要一步。

文献链接：Fabrication of Efficient Low-Bandgap Perovskite Solar Cells by Combining Formamidinium Tin Iodide with Methylammonium Lead Iodide（J. Am. Chem. Soc.，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b08337）

本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 学术组 背逆时光 供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与欧洲杯线上买球 话题讨论请加入“材料人欧洲杯线上买球 材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号，微信搜索“欧洲杯线上买球 前线”或扫码关注。