Cs(Pb,Sn)I3−xBrx全无机钙钛矿太阳能电池中缺陷产生、消除及钝化机制的研究

Organic-inorganic hybrid perovskite solar cells form a new type of thin film photovoltaic technology, which has achieved a recorded power conversion efficiency of 22.7%. However, organic cations tend to be decomposed under elevated temperatures, light illumination, in the presence of moisture or under high-energy irradiation. By replacing organic cations with inorganic Cs+, the stability of Cs(Pb,Sn)I3−xBrx inorganic perovskite solar cell greatly improves while the recorded power conversion efficiency is only around 13%. To further improve the efficiency of the inorganic perovskite solar cells, it is critical to understand the formation, elimination and passivation of defects. Therefore, by utilizing advanced electron microscopy techniques, such as transmission electron microscope and cathodoluminescence, this research is aiming to throughout understand the crystal structure, phase transition and crystal defects; to unveil the relationship between interactions of different kinds of defects and solar cell performances; to explore a method to eliminate and passivate the defects and finally to further improve performances of Cs(Pb,Sn)I3−xBrx inorganic perovskite solar cells. Due to the close structure and composition similarities between inorganic perovskites and organic-inorganic hybrid perovskites, this research’s outcomes could have an important role to guide the improvement of the performance of organic-inorganic hybrid perovskite solar cells as well.

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜光伏技术，其最高光电转化效率已达22.7%。然而该材料中有机阳离子在高温、光照、湿度、氧和高能辐照等条件下易发生分解，因此不稳定性制约了它的应用前景。将有机基团替代为无机离子所得到的Cs(Pb,Sn)I3−xBrx全无机钙钛矿太阳能电池的稳定性得到大幅提高，然而最高效率仅为13%左右。为了进一步提升无机钙钛矿太阳能电池的效率，深入研究电池中缺陷的产生、消除与钝化便显得尤为重要。因此本研究可以通过使用透射电子显微镜和电子阴极发光等电镜技术，深入研究无机钙钛矿的晶体结构、晶型转化和晶体缺陷，探究缺陷之间相互作用机理以及对太阳能电池性能的影响，探索消除和钝化缺陷的方法，从而进一步提高无机钙钛矿太阳能电池的各项性能。无机钙钛矿晶体结构和化学组成与有机-无机杂化钙钛矿材料高度相似，因此，这项研究势必对优化有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池性能有重要指导意义。

Cs(Pb, Sn)I3-xBrx钙钛矿材料由于易于调整光学带隙, 在叠层太阳能电池、光伏建筑一体化等方面, 显示出诱人的应用前景。然而，Cs(Pb, Sn)I3-xBrx面临着以下3个方面的问题，严重阻碍了其应用前景:.1. Cs(Pb, Sn)I3-xBrx钙钛矿材料在光照或电荷注入的条件下, 卤素离子会产生相分离, 从而影响光学带隙的稳定性和器件性能的稳定性。我们通过控制CsPbIBr2钙钛矿前驱体溶液中的化学成分, 引入Pb(I, Br)2∙DMSO络合物和准二维CsPb2(I, Br)5中间相，促进钙钛矿晶体的生长, 从而有效缓解混合CsPbIBr2太阳能电池中的卤化物相分离和器件的J-V迟滞，显著提高少数载流子寿命，制备的CsPbIBr2太阳能电池的最高光电转化效率达到9.37%。.2. 由于Cs+较小的离子半径，无法支撑起稳定的钙钛矿八面体结构，导致CsSnxPb1-xI3倾向于形成 “黄色”非钙钛矿结构的δ 相，从而导致太阳能电池效率急剧下降。我们通过在CsSnxPb1-xI3钙钛矿前驱体溶液中引入离子半径较大的二甲基铵(DMA+)，可以有效抑制黄色相的形成，和提高钙钛矿结构的稳定性。通过超低剂量透射电子衍射技术，证实甲基铵进入钙钛矿结构，形成四方相(DMA,Cs)SnxPb1-xI3，从而大幅提高钙钛矿结构的稳定性。我们进一步研究发现，钙钛矿黄色相的产生促进了 Sn2+ 的氧化，因此提高CsSnxPb1-xI3钙钛矿结构稳定性，对提高CsSnxPb1-xI3的光电转化效率也极其关键。我们通过化学组分工程，形成结构更稳定的四方相来有效抑制CsSnxPb1-xI3钙钛矿薄膜中黄色相的形成，(DMA, Cs)Sn0.3Pb0.7I3 和(DMA, Cs)PbI3太阳能电池效率分别由5.46 % 和 12.70 %，提升到9.17 %和 17 %。.3. Cs(Pb, Sn)I3-xBrx太阳能电池主要通过旋涂法制备，但是该工艺制备的电池只适用于小面积制备，无法满足今后的大面积工业化生产的需求。我们开发了一种真空辅助刮涂法制备钙钛矿太阳能电池的方法。该方法制备的大面积CsPbIBr2钙钛矿薄膜，均匀好、晶粒尺寸大，制得的太阳能电池具有较高的效率和稳定性，具有良好的应用前景。