【引言】

有機無機混合鈣鈦礦太陽能電池效率已經達到了22%以上，但由於在製備過程中廣泛使用含鉛物質，其對環境的影響也是人們一直在擔心的問題，為此研究人員在不斷研究發展無鉛或少鉛的鈣鈦礦太陽能電池。在這一過程中，鉛最常被錫取代，但錫基鈣鈦礦太陽能電池效率遠低於鉛基鈣鈦礦太陽能電池。另外，除了錫之外，諸如Bi³⁺、 In³⁺、 Sr²⁺、 Cd²⁺和Ca²⁺等金屬陽離子也曾摻雜入鉛基鈣鈦礦太陽能電池中，目的也是為了降低電池對環境的危害和提高電池的穩定性。

【成果簡介】

近日，華中科技大學陳煒教授和華盛頓大學Alex K.-Y. Jen教授(共同通訊作者)在Advanced Materials上發表了一篇題為「SrCl₂Derived Perovskite Facilitating a High Efficiency of 16% in Hole-Conductor-Free Fully Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells」的文章。文中，研究人員使用環境友好型的SrCl₂作為前驅體之一，合成鈣鈦礦前驅體溶液。同時，在500 ℃氧氣氛圍中以噴霧熱解的方法在FTO基底上生長緻密TiO2電子傳輸層，接著又以絲網印刷的技術製備一層介孔TiO₂和一層介孔Al₂O₃，然後再印刷一層由碳黑和石墨組成的碳電極，最後在碳電極上部滴塗鈣鈦礦前驅體溶液，70 ℃退火後形成鈣鈦礦薄膜。研究表明，SrCl2的加入能夠有效降低鈣鈦礦膜中的缺陷濃度，使器件擁有更好的孔隙填充，電池效率也達到了15.9%。另外，SrCl₂能夠使鈣鈦礦晶體穩定形核，提高了電池器件的穩定性。

【圖文導讀】

圖1.有機無機混合鈣鈦礦

(a)MAPbI₃(SrCl₂)_x鈣鈦礦晶體結構示意圖

(b)全印刷型無空穴層MAPbI₃(SrCl₂)_x鈣鈦礦太陽能電池微結構示意圖

(c)MAPbI₃(SrCl₂)_x能級圖

圖2.鈣鈦礦晶相表徵及光電子特性對比

(a)MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦的XRD圖譜，插圖是兩者(110)衍射峰強度對比

(b)MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦的高分辨XPS圖譜

(c)MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦的功函數UPS譜

(d)MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦的穩態光致發光譜

(e)MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦的時間分辨PL衰減譜

圖3.所得鈣鈦礦形貌

(a)利用傳統旋塗法製成的鈣鈦礦薄膜頂部的SEM圖，左邊是MAPbI₃薄膜，右邊是MAPbI₃(SrCl₂)_0.1薄膜

(b)器件的截面SEM圖，左邊是MAPbI₃鈣鈦礦電池，右邊是MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦電池

(c)MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦電池截面的EDS元素分布圖

圖4.MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦電池性能

(a)MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦最佳性能電池的反掃J-V曲線，活性面積為0.16 cm²

(b)MAPbI₃鈣鈦礦和MAPbI₃(SrCl₂)_0.1鈣鈦礦最佳性能電池在不同光強度下的開路電壓

(c)最佳性能電池的IPCE曲線(實線)和光電流曲線(虛線)

(e)電池效率分布框圖

(f)未封裝電池不同時間下效率變化曲線

【小結】

本文報道一種以SrCl₂為前驅無機源製成的新型鈣鈦礦太陽能電池，SrCl₂能夠調整鈣鈦礦生長動力學，改善並減少缺陷生長，提高了鈣鈦礦薄膜的光電能力，增加電池的穩定性能，使鈣鈦礦太陽能電池朝著商業化應用又邁進了一步。

推薦閱讀：

相关文章