Adv. Mater. :以SrCl2为前驱无机源制成的新型无空穴层碳电极钙钛矿太阳能电池

【引言】

有机无机混合钙钛矿太阳能电池效率已经达到了22%以上，但由于在制备过程中广泛使用含铅物质，其对环境的影响也是人们一直在担心的问题，为此研究人员在不断研究发展无铅或少铅的钙钛矿太阳能电池。在这一过程中，铅最常被锡取代，但锡基钙钛矿太阳能电池效率远低于铅基钙钛矿太阳能电池。另外，除了锡之外，诸如Bi³⁺、 In³⁺、 Sr²⁺、 Cd²⁺和Ca²⁺等金属阳离子也曾掺杂入铅基钙钛矿太阳能电池中，目的也是为了降低电池对环境的危害和提高电池的稳定性。

【成果简介】

近日，华中科技大学陈炜教授和华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授(共同通讯作者)在Advanced Materials上发表了一篇题为“SrCl₂ Derived Perovskite Facilitating a High Efficiency of 16% in Hole-Conductor-Free Fully Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells”的文章。文中，研究人员使用环境友好型的SrCl₂作为前驱体之一，合成钙钛矿前驱体溶液。同时，在500 ℃氧气氛围中以喷雾热解的方法在FTO基底上生长致密TiO2电子传输层，接着又以丝网印刷的技术制备一层介孔TiO₂和一层介孔Al₂O₃，然后再印刷一层由碳黑和石墨组成的碳电极，最后在碳电极上部滴涂钙钛矿前驱体溶液，70 ℃退火后形成钙钛矿薄膜。研究表明，SrCl2的加入能够有效降低钙钛矿膜中的缺陷浓度，使器件拥有更好的孔隙填充，电池效率也达到了15.9%。另外，SrCl₂能够使钙钛矿晶体稳定形核，提高了电池器件的稳定性。

【图文导读】

图1.有机无机混合钙钛矿

(a) MAPbI₃(SrCl₂)_x钙钛矿晶体结构示意图

(b)全印刷型无空穴层MAPbI₃(SrCl₂)_x钙钛矿太阳能电池微结构示意图

(c)MAPbI₃(SrCl₂)_x能级图

图2.钙钛矿晶相表征及光电子特性对比

(a)MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿的XRD图谱，插图是两者(110)衍射峰强度对比

(b)MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿的高分辨XPS图谱

(c)MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿的功函数UPS谱

(d)MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿的稳态光致发光谱

(e)MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿的时间分辨PL衰减谱

图3.所得钙钛矿形貌

(a)利用传统旋涂法制成的钙钛矿薄膜顶部的SEM图，左边是MAPbI₃薄膜，右边是MAPbI₃(SrCl₂)_0.1薄膜

(b)器件的截面SEM图，左边是MAPbI₃钙钛矿电池，右边是MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿电池

(c)MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿电池截面的EDS元素分布图

图4.MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿电池性能

(a)MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿最佳性能电池的反扫J-V曲线，活性面积为0.16 cm²

(b)MAPbI₃钙钛矿和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1钙钛矿最佳性能电池在不同光强度下的开路电压

(c)最佳性能电池的IPCE曲线(实线)和光电流曲线(虚线)

(e)电池效率分布框图

(f)未封装电池不同时间下效率变化曲线

【小结】

本文报道一种以SrCl₂为前驱无机源制成的新型钙钛矿太阳能电池，SrCl₂能够调整钙钛矿生长动力学，改善并减少缺陷生长，提高了钙钛矿薄膜的光电能力，增加电池的稳定性能，使钙钛矿太阳能电池朝着商业化应用又迈进了一步。