Nat. Energy：具有2D-3D异质结构的丁基铵-铯-甲脒卤化铅钙钛矿太阳能电池

【背景介绍】

钙钛矿太阳能电池效率非常高，然而，它们容易在水，氧和紫外线中降解。3D钙钛矿吸收剂的阳离子加入导致降解程度降低。另外，2D Ruddlesden-Popper分层的钙钛矿表现出改善的稳定性，但迄今尚未应用于高效的太阳能电池。

【成果简介】

近日，来自牛津大学的Henry J. Snaith（通讯作者）等人将正丁基铵阳离子引入阳离子铅混合卤素FA_0.83Cs_0.17Pb(I_yBr_1−y)₃3D 钙钛矿中，观察到二维钙钛矿的形成，散布在高度取向的三维钙钛矿颗粒之间，其抑制非辐射电荷重组。该团队还研究了薄膜组成，晶体取向和器件性能之间的关系。具有最佳丁基铵含量的太阳能电池对于带有1.61-eV带隙钙钛矿表现出平均稳定功率转换效率为17.5±1.3％，对于1.72-eV带隙钙钛矿效率为15.8±0.8％。其稳定性在模拟光照下也得到提高。电池在室温中持续运行1000小时后，其“后置式”效率达到80％，这一数值在密封环境中接近4000小时。相关成果以题为“Efficient ambient-air-stable solar cells with 2D–3D heterostructured butylammonium-caesium-formamidinium lead halide perovskites”发表在了Nature Energy上。

【图文导读】

图1 形态和晶相

a-f）不同BA浓度退火后的BA_x（FA_0.83Cs_0.17）_1-xPb（I_0.6Br_0.4）₃钙钛矿膜的SEM图像

g-i）x = 0.03,0.09和0.16薄膜的放大SEM图像

图2 BA增强的3D钙钛矿晶体生长

a）对应具有不同BA浓度的3D钙钛矿（200）的XRD摆动曲线

b）反映x = 0.09膜中3D钙钛矿相（410）的极坐标图

c）x = 0.09膜中3D钙钛矿相的取向

d）对于两种不同的BA浓度（x = 0和0.09），钙钛矿退火过程（从室温到175℃）的反射强度作为时间的函数

图3 2D-3D钙钛矿异质结构

a，b）FA_0.83Cs_0.17Pb（I_0.6Br_0.4）₃人造色的横截面SEM图像

c）自组装2D-3D钙钛矿薄膜结构的示意图

d）x = 0膜（黑线）和x = 0.09膜（红线）的紫外-可见吸收和PL光谱

e）相同膜的时间分辨PL光谱

f）2D-3D异质结的拟议电子带

图4 BA/FA/Cs钙钛矿太阳能电池的器件性能

a）使用宽带隙（E_g= 1.72eV）的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线

b）电池的稳定功率输出（SPO）

c）使用较低带隙（E_g= 1.61eV）最佳性能的钙钛矿太阳能电池的J-V特性

d）电池数作为PCE的函数的直方图

图5 器件稳定性

a-j）高性能非封装（a-e）和封装（f-j）太阳能电池器件的稳定性比较

【总结】

该成果展示了显著提高的器件效率和操作稳定性的钙钛矿组合物。相信，这将成为钙钛矿太阳能电池和光电子器件持续发展的重要方向，也可能为基础研究提供模型系统。

文献链接：Efficient ambient-air-stable solar cells with 2D–3D heterostructured butylammonium-caesium-formamidinium lead halide perovskites（Nat. Energy,2017,DOI:10.1038/nenergy.2017.135）

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