导读：本文开发了一种预退火策略来调节全无机钙钛矿光伏材料在成膜过程中的形核与结晶。发现先在50℃下进行低温预退火，然后再160℃的进行正常退火，可以获得更为平坦、致密且无孔洞的薄膜。再引入了更低HOMO能级的TFB缓冲层，最终基于P3HT的无掺杂CsPbI2Br器件效率达到了创纪录的15.5%。这些发现为研究高质量高效率的全无机钙钛矿薄膜与增强其稳定性提供了新方向。
全无机钙钛矿光伏材料CsPbX3(X=I,Br,Cl)等由于出色的光电特性，且其与有机无机钙钛矿相比，热稳定性良好而被广泛研究。其中斜方黄相CsPbI3由于带隙过大导致不适合作为光电器件，开发其他类型的全无机钙钛矿材料成为了一种较新的议题，通过取代卤化物提高容忍因子的CsPbI2Br，成为了具有更稳定晶格结构、对湿度敏感性要低很多的光伏材料替代品。目前制备高效稳定的CsPbI2Br薄膜电池仍旧是难点。
近日，中国科学院胡劲松发现采用低温预退火处理工艺有利于调节CsPbI2Br的成核与结晶，且能有效的平整薄膜表面，增大晶粒尺寸并消除表面上的孔洞，由于钙钛矿与一些传统空穴传输层界面处会导致严重的非辐射陷阱密度复合，于是在这项工作中引入聚合物缓冲层TFB和有机聚合物空穴传输层无添加剂的P3HT，可明显增加电压使得效率增长到15.5%且具有千小时的稳定性，相关文章以题目“High-Efficiency CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with Dopant-Free Poly (3-hexylthiophene) Hole Transporting Layers”发表在国际顶尖期刊Advanced Energy Materials.
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000501
研究者将合成好的CsPbI2Br前驱体溶液分两类制备，一类薄膜在旋涂完后预先以50℃预处理退火(PA),随后再以160℃的温度退火10分钟，而第二类薄膜在旋涂后直接退火160℃10分钟，随后进行了XRD测试来观察不同退火条件对薄膜形貌与结晶度的影响差异。之后再将不同温度下预处理的薄膜进行顶端视角SEM的拍摄来观察不同退火温度对于预处理薄膜的影响，随后发现温度与效率的一致性影响，其获得的光电器件特性也表现出了这一点，随后再通过调控不同类型的空穴传输层与缓冲层并与标件作对比发现，在PL荧光测试中发现带有缓冲层的荧光强度的大幅度降低，通过平衡了空穴层与钙钛矿层之间的能级，有利于载流子的分离以及电极对他们的收集。
图1. CsPbI2Br前驱体制备的薄膜经过预退火(PA)与直接退火(DA)的示意图以及不同条件下薄膜的XRD图
图2.PA薄膜与DA薄膜在不同温度下的顶端SEM视角图
图3. PA薄膜与DA薄膜在分别使用不同空穴传输层时的光电器件特性
图4. 加入聚合物TFB作为缓冲层后的光电器件表现
总的来说，研究人员开发了一种预退火策略来调节CsPbI2Br在成膜过程中的形核与结晶。经过一系列的实验证明，涂层钙钛矿薄膜在50℃下进行预退火，然后再160℃的温度下进行正常退火，随后可以获得更为平坦、致密且无孔洞的CsPbI2Br薄膜。通过荧光测试表明，与直接完成退火的薄膜相比较，预先处理退火的薄膜显示出了更少的非辐射陷阱密度复合且拥有着更长的载流子寿命。引入P3HT作为空穴传输层时，与SprioMeTAD作为空穴传输层制备的器件光电转换效率相当，同时水分稳定性大大加强。基于P3HT的CsPbI2Br器件效率达到14.08%，在空气环境中能保存1300小时后仍保持95%以上的效率。
与此同时，研究者在CsPbI2Br与P3HT之间成功引入了更低HOMO能级的TFB缓冲层，用于弥补能级的不匹配，使得器件的电压损耗大大降低，导致了基于P3HT的无掺杂CsPbI2Br器件效率达到了创纪录的15.5%。这些发现为研究高质量高效率的全无机钙钛矿薄膜与增强其稳定性提供了新的方向。（文：kirin）
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