华侨大学魏展画JACS: CsPbBr3团簇辅助构建高效稳定的FAPbI3基钙钛矿太阳能电池

魏展画课题组

2019-11-30

第一作者：谢立强

通讯作者：魏展画

第一单位：华侨大学

研究亮点：

1. CsPbBr₃团簇辅助钙钛矿结晶，降低α-FAPbI₃的形成势垒，仅需1%-6%的溴掺杂即可制备高质量、无MA的CsPbBr₃-FA钙钛矿。

2. 优化后的钙钛矿太阳能电池的短路电流密度达到24.52 mA/cm²，光电转换效率达到21.78%，且在1个太阳照射下、最大功率点跟踪测试1000小时后仍能保持82%的初始效率。

基于FAPbI₃的钙钛矿太阳能电池

基于甲脒碘化铅（FAPbI₃）的钙钛矿具有合适的禁带宽度、较宽的光谱响应范围和优异的热稳定性，有望用于制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池。然而，FAPbI₃往往需要较高含量的溴掺杂（通常高于17%）或阳离子掺杂来稳定其光活性的钙钛矿相（α相，黑色），并抑制其向非钙钛矿相（δ相，黄色）转变。这种掺杂虽然提高了钙钛矿的相稳定性，但又会反过来降低其光谱响应范围，牺牲电流输出。

成果简介

本工作报道了一种基于CsPbBr₃簇诱导的、自下而上的钙钛矿结晶方式，能够制备出具有纯α相、高质量、低缺陷浓度、的无甲胺阳离子的FAPbI₃钙钛矿薄膜。研究者发现，预合成的CsPbBr₃粉末能在钙钛矿前驱液中形成纳米尺度的团簇，这些团簇在钙钛矿中间体的形成过程中能作为晶种辅助钙钛矿膜的生长，并在后续的退火处理中被除去（图a）。采用这种制备策略，仅需1%-6%的CsPbBr₃就能实现高质量、FAPbI₃钙钛矿的制备，从而使得电池的短路电流密度达到24.52mA/cm²，光电转换效率达到21.78%（图b）。更重要的是，优化后的钙钛矿太阳能电池能在工作条件下（100 mW/cm²光照、最大功率点跟踪）测试1000小时后，仍保持82%的初始效率（图c）。

图1. (a) CsPbBr₃-FA钙钛矿膜的生长过程示意图, (b)钙钛矿电池的J-V曲线和性能参数，(c) 钙钛矿电池的工况稳定性。

小结

总而言之，本工作提出了一种新的通过调控钙钛矿前驱体化学组成来制备高效率、高稳定性钙钛矿电池的方法，制备高效率、高工况稳定性的钙钛矿太阳能电池。后续有望通过优化钙钛矿/电荷传输层界面，进一步提高钙钛矿电池的效率和稳定性。

参考文献

L. Xie, K. Lin, J. Lu, W. Feng, P.Song, C. Yan, K. Liu, L. Shen, C. Tian and Z. Wei,Efficient andstable low-bandgap perovskite solar cells enabled by CsPbBr₃-clusterassisted bottom-up crystallization approach. J. Am. Chem. Soc., 2019,

DOI: 10.1021/jacs.9b11546.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b11546

作者介绍

谢立强，博士，现为华侨大学材料科学与工程学院讲师。2012年6月本科毕业于厦门大学化学系；2017年6月博士毕业于厦门大学化学系物理化学专业，导师为毛秉伟教授和田中群教授。2017年10月加入华侨大学材料学院魏展画团队。目前的研究兴趣是钙钛矿太阳能电池，已在Journalof the American Chemistry Society (2)、Journal ofMaterials Chemistry A (1)、The Journal of PhysicalChemistry C (1)、Physical Chemistry Chemical Physics (1)等期刊发表研究论文10余篇。

魏展画，博士，现为华侨大学发光材料与信息显示研究院院长，材料科学与工程学院教授，2019年入选国家百千万人才工程计划，获得“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。2011年7月毕业于厦门大学化学系，取得学士学位；2015年8月毕业于香港科技大学化学系，取得博士学位，其导师为杨世和教授；2015年9月至2016年5月间在新加坡南洋理工大学数理学院从事博士后研究，合作导师为熊启华教授。2016年5月加入华侨大学材料科学与工程学院，课题组的主要研究方向是能源光电材料，特别是钙钛矿电致发光器件和钙钛矿太阳能电池等，已在Nature、Journal of the American ChemicalSociety、Energy & Environmental Science和Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊上发表研究论文30余篇。