无机无铅钙钛矿太阳能电池

2016.11.29 点击479次

【导读】近日，南方科技大学工学院国家千人计划特聘专家孙小卫讲座教授研究团队利用固相熔融反应制备了高纯相的无机B-γ-CsSnI3钙钛矿材料，基于该材料制备的异质结耗尽型钙钛矿太阳能电池获得了3.31%的光电转换效率，为当前无机无铅钙钛矿太阳能电池的最高效率。

目前普遍采用的钙钛矿太阳能电池的光吸收层为有机无机杂化的CH₃NH₃PbI₃或NH₂CH=NH₂PbI₃，该类材料中约35wt%为重金属铅，然而铅基材料在电子半岛bd体育手机客户端 中的使用受到欧盟及很多国家的严格限制。一种可能的替代铅的元素为其同主族的锡，如以CH₃NH₃SnI₃和NH₂CH=NH₂SnI₃为光吸收层的钙钛矿太阳能电池。此外，该类有机无机杂化的钙钛矿材料中有机离子(CH₃NH³⁺与NH₂CH=NH²⁺)占有较大的比重，这将直接导致在未来的钙钛矿太阳能电池商业应用时的长期稳定性问题。最近有研究表明金属铯离子取代有机离子的钙钛矿材料展示了更好的热稳定性。例如全无机的无铅钙钛矿材料CsSnI₃的熔点为451℃，而卤化物的无铅钙钛矿材料CH₃NH₃SnI₃和NH₂CH=NH₂SnI₃的降解温度约为200℃，且CsSnI₃可以通过熔融固化反应来合成制备。在太阳能电池的工作温度范围内(20-100℃)，CsSnI₃具有两个同质异相体，黑色的B-γ-CsSnI₃与黄色的Y-CsSnI₃，其中黄色的Y- CsSnI₃在太阳能电池中没有光伏响应，而黑色的B-γ-CsSnI₃具有较为适宜的直接带隙1.3 eV，低的激子束缚能(10^-20meV)及高的载流子迁移率(~585 cm²V^-1s^-1)，是一种理想的钙钛矿光伏材料。

近日，南方科技大学工学院国家千人计划特聘专家孙小卫讲座教授研究团队利用固相熔融反应制备了高纯相的无机B-γ-CsSnI₃钙钛矿材料，基于该材料制备的异质结耗尽型钙钛矿太阳能电池获得了3.31%的光电转换效率，为当前无机无铅钙钛矿太阳能电池的最高效率。研究表明，固相熔融反应制备的B-γ-CsSnI₃经混合溶剂溶解后制备的薄膜获得了高纯相的XRD结果，避免了黄色的Y-CsSnI₃相以及降解产物Cs₂SnI₆的生成。通过可控的热退火过程，获得了具有颗粒粗化的B-γ-CsSnI₃的薄膜形貌，在退火温度为100-300℃时，B-γ-CsSnI₃的平均晶粒尺寸逐步增大至0.5mm。由于在B-γ-CsSnI₃中锡空位VSn具有较低的形成能，易自发形成类金属特性的B-γ-CsSnI₃。通过采用密度泛函理论DFT模拟计算，结果显示锡空位VSn没有导致B-γ-CsSnI₃形成二次相，并对其XRD的衍射曲线结果影响甚微。通过从介孔结构、scaffold结构至平面结构的器件结构优化，在B-γ-CsSnI₃厚度约为120nm时平面结构的钙钛矿太阳能电池获得了3.31%的光电转换效率，基于此的器件模拟结果表明该器件为异质结耗尽型。该工作的合作单位为美国布朗大学的Nitin P. Padture教授研究组及内布拉斯加大学林肯分校的Zeng Xiao Cheng教授研究组。