研究背景

近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料由于其光吸收率强，迁移率高，载流子寿命长，带隙可调以及多种方式的加工等优点,从而在太阳能电池，阻变存储器，发光二极管，等领域中展现出了巨大的潜力，已经成为国内外研究热点。尤其在太阳能电池领域，自2009年首次报道以来，基于有机-无机钙钛矿材料的太阳能电池能量转换效率已从3.8%增加到23.3%。然而，由于有机离子（MA⁺、FA⁺等）的存在，其稳定性问题一直是限制其商业化的主要原因。因此，如何提高钙钛矿薄膜材料的稳定性同时保持优异的光电特性是亟待解决的关键技术问题。目前，无机钙钛矿材料在稳定性方面具有很好的优势，其良好的热稳定性和空气稳定性是目前研究的热点和重点。基于高质量的全无机钙钛矿材料且采用界面修饰等手段能够有效地解决了器件稳定性的问题。基于此，西安电子科技大学常晶晶教授和郝跃院士课题组在Nano Energy上发表了题为： “Interface engineering of low temperature processed all-inorganic CsPbI₂Br perovskite solar cells toward PCE exceeding 14%”的文章。

研究工作介绍

该研究工作采用分步退火的低温制备工艺，基于SnO₂电子传输层制备出高致密、全覆盖的CsPbI₂Br全无机钙钛矿薄膜，同时引入MoO₃层作为缓冲层提高空穴的传输和阻挡电子，且有效的提高了器件的性能和稳定性。最终，基于ITO/SnO₂/CsPbI₂Br/Spiro-OMeTAD/MoO₃/Ag结构的器件取得了高的填充因子（81%）和超过14.05%的能量转换效率，在空气下持续85°C下加热和在空气下持续光照，展现出良好的稳定性。
 

图S1 ：a)器件的能级示意图；b) 最优器件的效率图；c) 器件长期稳定性

工作的亮点和新颖性

1. 基于低温的制备工艺，分步退火获得高质量的CsPbI₂Br全无机钙钛矿薄膜并有效地提升器件的填充因子（81.5%）和高的转换效率14.05%。

2. MoO₃界面层能够有效地提高电荷激发和抑制载流子的复合，同时作为缓冲层隔离Spiro-OMeTAD和空气的接触，有效地提升器件的空气稳定性和热稳定性。

【图文详情】

图1. a) CsPbI₂Br全无机钙钛矿薄膜的XRD图； b) CsPbI₂Br全无机钙钛矿薄膜表面形貌SEM； c) CsPbI₂Br全无机钙钛矿薄膜光吸收和PL谱； d) CsPbI₂Br全无机钙钛矿薄膜的TR-PL谱。图2. a）全无机钙钛矿电池器件结构图； b）器件结构对应的能级示意图。
图3. a） CsPbI₂Br全无机钙钛矿I-V测试曲线； b） CsPbI₂Br全无机钙钛矿PCE分布图； C） CsPbI₂Br全无机钙钛矿IPCE图； d） CsPbI₂Br全无机钙钛矿稳态输出曲线。

图4. a）最优器件的I-V曲线图； b）最优器件的IPCE图；c）最优器件的正反扫迟滞曲线；d）最优器件的稳态输出曲线。

图5. a）CsPbI₂Br全无机钙钛矿器件的TPC图； b）CsPbI₂Br全无机钙钛矿器件的TPV图；c）CsPbI₂Br全无机钙钛矿器件的Voc随光强的变化；d）CsPbI₂Br全无机钙钛矿器件的EIS曲线。

图6. a）CsPbI₂Br全无机钙钛矿器件在空气下持续光照稳定性图； b）CsPbI2Br全无机钙钛矿器件的在空气下持续加热85°C热稳定性图；c）CsPbI2Br全无机钙钛矿器件在氮气环境下储存稳定性； 

 

【总结】

该工作提供了一种制备高质量CsPbI₂Br全无机钙钛矿薄膜的低温制备工艺，基于SnO₂电子传输层可以有效地提高电荷传输和薄膜质量。同时，文章采用超薄MoO₃界面层作为缓冲层有效地提升电荷激发和抑制载流子的复合，有效地提升了器件的填充因子和器件性能，同时也提升了器件的热稳定性和空气稳定性。

Long Zhou^†, Xing Guo^†, Zhenhua Lin, Jing Ma, Jie Su, Zhaosheng Hu, Chunfu Zhang, Shengzhong Liu, Jingjing Chang* and Yue Hao. Interface engineering of low temperature processed all-inorganic CsPbI₂Br perovskite solar cells toward PCE exceeding 14%, Nano Energy., 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.081