基于CsPb0.9Sn0.1 IBr2的全无机钙钛矿太阳能电池展示出效率和稳定性的提升

丁黎明 ，程一兵 ，唐江

1国家纳米科学中心，北京 100190

2武汉理工大学，材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070

3 Department of Materials Science and Engineering, Monash University, Victoria 3800, Australia

4华中科技大学，武汉光电国家实验室，武汉 430074

图；(c) 基于不同CsMX3材料的全无机钙钛矿太阳能电池的能带结构，红色虚线框中显示的是CsPbBr3、CsPb IBr2和CsPb0.9Sn0.1 IBr2的能带位置；(d，e) 基于CsPbBr3、CsPb IBr2和CsPb0.9Sn0.1 IBr2的全无机钙钛矿太阳能电池的(d) J–V图和(e) IPCE谱和积分电流密度；(f) 从50个单独的CsPb0.9Sn0.1 IBr2基全无机钙钛矿太阳能电池测得的光电转换效率统计图

钙钛矿太阳能电池是一种非常有前景的新型光伏器件。近年来，其光电转换效率的最高记录已经从3.8%迅速上升到22.1%1–5。常见的有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料的通用化学式为ABX3，其中A位点通常是有机阳离子(如甲基铵(MA+)或甲脒(FA+))，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和强的吸光性能。然而，由于杂化钙钛矿和空穴传输材料(HTM s)中的有机成分在外界环境压力(如水分、氧气、热和紫外线等)下的稳定性较差，钙钛矿太阳能电池的实际应用仍有待科研人员的进一步努力5–7。

为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，一种可能的解决方案是完全摒弃不稳定的有机成分。因此，基于铯金属卤化物(CsMX3，M = Pb，Sn；X =I，Br，Cl)的无机钙钛矿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。2016年底，南京大学金钟教授、刘杰教授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8,9。研究发现，基于 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，也无需昂贵的空穴传输层和贵金属电极，是首个完全以无机材料构成的钙钛矿太阳能电池，其性能非常稳定，制备方便，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90%–95%相对湿度的空气中存放 3个月性能无衰减，可以耐受−22至100 °C的极端温度范围。由于无需昂贵的 HTM s和贵金属电极，器件成本也大大降低。虽然第一代无机钙钛矿太阳能电池效率只达到6.7%，但给解决钙钛矿太阳能电池的稳定性难题提供了一条新的思路。

由于CsPbBr3的带隙较宽(～2.3 eV)，其光电转换效率比较低。因此，南京大学化学化工学院金钟教授、刘杰教授课题组尝试通过能带工程对无机钙钛矿材料进行能隙调控，以进一步提升其光电性能。最近，该团队提出了一种混合Pb/Sn离子、混合I/Br离子的无机钙钛矿材料CsPb0.9Sn0.1IBr2的合成策略10。在无需手套箱或湿度控制的大气环境中，通过简便的两步溶液法制备了具有1.79 eV的合适带隙的新型无机卤化物钙钛矿CsPb0.9Sn0.1IBr2，通过引入 Sn2+和 I−离子，将导带底(CBM)和价带顶(VBM)的位置调节到了合适的能量水平。基于 CsPb0.9Sn0.1IBr2和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的高开路电压和高达11.33%的光电转换效率，这在现有的基于CsMX3钙钛矿的太阳能电池中处于领先水平。此外，这种全无机钙钛矿太阳能电池具有良好的长期稳定性、耐热(100 °C)和耐湿性。该工作近期在Journal of the American Chem ical Society上在线发表10。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。

References

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