对用于串联太阳能电池的成分可调FAPbI?-xBr?混合钙钛矿的研究

《Materials Science and Engineering: B》：Investigation of compositionally tuned FAPbI 3-xBr x hybrid perovskites for tandem solar cells

卤化物替代调控的FAPbI3-xBrx钙钛矿薄膜结构、光学特性及太阳能电池效率研究。系统研究表明，溴化物含量增加导致晶格收缩，完全抑制δ相（x=1时），带隙可调范围1.53-2.25 eV，单结效率达20.92%，双结叠层结构效率提升至39.45%。

　　

Mouad Ouafi|Mohamed Alla|Salma Daim|Hicham Zalrhi|Mohammed Regragui|Mohammed Abd-lefdil|Lahoucine Atourki

摩洛哥拉巴特穆罕默德五世大学理学院MANAPSE实验室

摘要

本文系统研究了基于甲胺鎓的钙钛矿薄膜FAPbI?-xBr?中全卤素替代和部分卤素替代对材料结构、光学性能和太阳能转换效率（PCE）的影响。原始的FAPbI?同时具有三角钙钛矿相（α-FAPbI?）和黄色非钙钛矿δ相。随着FAPbI?-xBr?中溴含量的增加，晶格发生收缩，当x=1时δ相消失。光学测量显示，随着溴含量的增加，带隙从1.53 eV可调至2.25 eV，其中x=1时的带隙为1.68 eV。这种变化遵循Vegard趋势，并伴有轻微的弯曲。使用SCAPS-1D进行的数值模拟结果显示，纯FAPbI?的单结配置和溴含量为x=1的配置的PCE分别为20.92%和19.00%。此外，将原始FAPbI?与FAPbI?Br?作为吸收层的串联配置在优化后的层厚度（吸收层450 nm，TiO?基电子传输层80 nm）下，模拟得到的PCE为39.45%。这些结果凸显了卤素工程化混合钙钛矿和串联结构在推进高效太阳能电池技术方面的潜力。

引言

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其良好的效率和低成本的溶液处理方法而成为产生清洁能源的有希望的候选材料[1,2]。自Miyasaka等人首次报道3%的PCE以来，人们已付出了巨大努力来提高电池的PCE，目前达到了27%的认证值[3]。甲基铵铅碘化物（MAPbI?）钙钛矿被广泛用作不同架构（平面[4,5]和倒置[6,7]）的吸收层。然而，MA的挥发性会导致MAPbI?在高温（>100°C）下的热降解，这对电池的长期稳定性是一个关键问题[7],[8],[9],[10],[11],[12]。为了解决这个问题并进一步提高效率，许多相关研究已经展开。例如，甲胺鎓铅碘化物（FAPbI?）由于其约1.48 eV的窄带隙和高热稳定性，被探索作为PSCs的有希望的候选材料[13,14]。Gratzel等人[15]报告称，加入25%的MA可以稳定FAPbI?的黑色相，并将Jsc在AM 1.5G光照下的值提高到23.7 mA·cm?2。进一步的研究表明，加入小阳离子（MA?）通过与PbI?八面体的强相互作用，稳定了甲胺鎓钙钛矿太阳能电池的3D结构，无论是在正常配置还是倒置配置中[15]。类似地，混合卤化物或在钙钛矿中结合混合阳离子和卤化物也被证明可以提高稳定性和效率[16],[17],[18],[19]。然而，精确控制卤素的化学计量比至关重要，因为溴浓度超过20%会导致相分离和薄膜形态恶化，从而降低效率[20],[21],[22]。此外，含有较高比例溴和MA的电池表现出较大的滞后现象[7]。通过调整卤素位点的化学计量比，带隙能量可以在1.55至2.30 eV的范围内进行微调，从而改变光电性能。尽管已有许多研究成果，但三卤化物FAPbI?在高温下会形成亚稳态的α-黑色钙钛矿相，并在室温和潮湿环境中发生不希望的相变[16],[23],[24],[25]。

在这里，我们对FAPbI?-xBr?钙钛矿薄膜的结构、光学和光致发光特性进行了详细的实验研究。通过研究x位点的全替代和部分替代，我们旨在揭示化学成分的变化如何影响这些材料的性能以及它们在太阳能电池中的PCE。溴的引入导致晶格收缩，在x=1时抑制了δ相，并使带隙从1.53 eV可调至2.25 eV。使用SCAPS-1D进行的数值模拟显示，当x=1时，器件的PCE为19.00%。此外，将FAPbI?和FAPbI?Br?组合使用的串联配置模拟得到的PCE为39.45%，这突显了混合卤化物钙钛矿在下一代太阳能电池中的潜力。

薄膜制备

FAPbI?-xBr?薄膜是通过混合适当摩尔比的FAI、FABr、PbBr?和PbI?（Aldrich，≥98%）制备的。所有化学品和试剂均从Sigma-Aldrich购买。在惰性气氛中，前驱体在含有低于2 ppm O?和H?O的Ar手套箱内的48%二甲基亚砜（DMSO，Aldrich，≥99.9%）中溶解。溶液在80°C下磁力搅拌一小时。然后使用旋涂法将薄膜沉积在ITO基底上。

结构分析

图1展示了不同溴含量（0至3）的混合卤化物FAPbI?-xBr?钙钛矿薄膜的X射线衍射图。该图包含两部分：(a)显示不同溴浓度的XRD光谱；(b)展示主要衍射峰的放大视图。原始三卤化物FAPbI?的主要钙钛矿相峰分别位于13.90°和28.02°，对应于(001)和(002)平面。

结论性评论

本研究系统地探讨了基于甲胺鎓的钙钛矿薄膜在不同溴含量（FAPbI?-xBr?）下的结构、光学和光伏性能。结构分析证实，随着溴含量的增加，晶格发生收缩，非钙钛矿δ相被抑制，当x=1时实现了完全的相纯度。光学测量显示带隙有效可调范围为1.53至2.25 eV，变化趋势遵循Vegard趋势，并伴有轻微的弯曲。

CRediT作者贡献声明

Mouad Ouafi：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法论、研究、形式分析。 Mohamed Alla：撰写 – 审稿与编辑、软件、方法论、研究、形式分析。 Salma Daim：软件、方法论、研究。 Hicham Zalrhi：撰写 – 审稿与编辑、软件、研究。 Mohammed Regragui：可视化、验证、监督、研究。 Mohammed Abd-lefdil：可视化、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Mohammed VI理工大学能源研究计划通过“高效、稳定、环保且可扩展的钙钛矿太阳能电池”项目提供的财务支持，以及高等教育部、科学研究与创新部（MESRSI）通过“环保胶体量子点用于高性能太阳能电池”项目提供的财务支持。本工作部分得到了这些机构的支持。