金钟、刘杰团队在全无机钙钛矿太阳能电池方面取得新进展

化学化工学院金钟、刘杰教授带领的“先进能源材料与器件”研究团队在高稳定性的全无机钙钛矿太阳能电池方面取得新的研究进展，相关成果以“CsPb0.9Sn0.1IBr2 Based All-Inorganic Perovskite Solar Cells with Exceptional Efficiency and Stability”为题发表在Journal of the American Chemical Society, 2017, 139 （40）, 14009–14012。梁佳博士为论文第一作者，二年级研究生赵培洋为论文第二作者。

自从2009年以来的很短时间内，钙钛矿太阳能电池的研究受到了极大的关注，其光电转换效率的最高记录已经从3.8%迅速上升到22.1%，是一种非常有前途的新型光伏器件。常见的有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿是ABX3八面体构型，其中A位点是有机阳离子（甲基铵（MA+）或甲脒（FA+）等），B位点通常是Pb2+，X位点通常是卤素阴离子，这使其具有适当的带隙、强的吸光性能、高的载流子寿命和迁移率。然而，常规的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中的杂化钙钛矿和空穴传输材料中的有机成分在外界环境（如水汽、氧气、温度和紫外光照等）影响下的稳定性较差，这使得钙钛矿太阳能电池的应用受到了阻碍。

从问题的源头来考虑，一种能从根本上提高钙钛矿太阳能电池稳定性的解决方案是完全摒弃该器件中不稳定的有机成分。因此，无机金属卤化物钙钛矿（ABX3，A = Cs，Ru，etc.；M = Pb，Sn，etc.；X = I，Br，Cl，etc.）对于制备下一代高稳定性的钙钛矿太阳能电池有巨大的潜力（Solar RPL, 2017, 1700086，邀请综述）。2016年底，金钟、刘杰团队提出了基于无机钙钛矿和纳米碳电极的“全无机”钙钛矿太阳能电池的新概念（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15829）。该团队设计了基于铯-铅卤化物CsPbBr3和碳电极的全无机钙钛矿太阳能电池，摒弃了不稳定的有机-无机杂化钙钛矿，其性能非常稳定，制备简便且无需在手套箱中操作。这种全无机钙钛矿太阳能电池在未封装的情况下，在相对湿度90–95%的空气中存放3个月以上性能无衰减，并且可以耐受−22至100 °C的极端温度范围。由于无需昂贵的有机空穴传输材料和贵金属电极，器件的成本也大大降低。虽然第一代无机钙钛矿太阳能电池效率只有6.7%，但给解决钙钛矿太阳能电池的稳定性问题提供了一条新的思路。

CsPbBr3的带隙较宽（~2.3 eV）是导致其光电转换效率较低的原因；而CsPbI3虽然有较合适的带隙，但是其稳定性较差（Nanoscale, 2017, 9, 11841）。为了进一步提升全无机钙钛矿太阳能电池的综合性能，该团队努力通过能带工程对无机钙钛矿材料进行成分、结构和能隙调控，在近期的研究工作中提出了一种混合Pb/Sn离子、混合I/Br离子的无机钙钛矿材料CsPb0.9Sn0.1IBr2的合成方法。在无需手套箱操作的空气气氛中，通过简便的溶液反应-退火方法制备了新型无机卤化物钙钛矿CsPb0.9Sn0.1IBr2，利用Sn2+和I−离子的双掺杂策略获得了1.79 eV的较合适带隙，并将导带底（CBM）和价带顶（VBM）的位置调节到了更合适的水平（图1）。基于CsPb0.9Sn0.1IBr2和纳米碳对电极的全无机钙钛矿太阳能电池，完全摒弃了不稳定的有机成分和贵金属电极，并展现出1.26 V的高开路电压和11.33%的光电转换效率（图2）。此外，这种全无机钙钛矿太阳能电池具有较高的长期稳定性、耐热（100°C）和耐湿性（图3）。该研究表明，通过能带工程设计新的无机钙钛矿材料，以提高全无机钙钛矿太阳能电池的综合性能是可行的。

该研究工作得到了青年千人计划、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金等项目的资助。

图1. 通过能带工程方法，利用Sn2+和I−离子的双掺杂策略，能有效调控CsMX3无机钙钛矿材料的能带结构和光学性质。

图2. 全无机钙钛矿太阳能电池的（a）器件结构和（b）截面SEM图。基于不同CsMX3吸光层的全无机钙钛矿太阳能电池的（c）能带位置图，（d）J-V曲线和（e）IPCE曲线。（f）50个基于CsPb0.9Sn0.1IBr2的全无机钙钛矿太阳能电池的效率统计分布。

图3. 基于CsPb0.9Sn0.1IBr2的全无机钙钛矿太阳能电池的（a）长期稳定性、（b）耐热性和（c）耐湿性。

（化学化工学院 科学技术处）