張地偉， 吳永真， 朱為宏

(華東理工大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院, 結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料及其制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200237)

在能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力下，太陽能作為一種可再生的清潔能源，成為最有前景的可持續(xù)能源。過去的幾十年中，太陽能電池也經(jīng)歷著幾代革新，其中第1代以晶體硅電池為主[1]，第2代為基于非晶硅或CdTe薄膜型太陽能電池[2]，第3代太陽能電池以廉價(jià)、輕薄等為特色，目前仍處于研發(fā)階段，包括染料敏化太陽能電池(dye sensitized solar cells, DSSCs)[3]、有機(jī)太陽能電池(organic photovoltaics, OPV)[4]、量子點(diǎn)太陽能電池(quantum dot sensitized solar cells, QDSSCs)[5]和鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cells, PSCs)[6-7]等。在PSCs中，作為核心吸光材料的鹵化物鈣鈦礦具有許多優(yōu)異的特性，包括大的載流子擴(kuò)散長度、高消光系數(shù)和寬而可調(diào)的吸收范圍[8]。同時(shí)，鈣鈦礦太陽能電池因其原料成本低和制備工藝簡單等特點(diǎn)而成為最具經(jīng)濟(jì)效益的光伏技術(shù)。相應(yīng)地，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency，PCE)，如圖1所示，經(jīng)認(rèn)證的PCE從14.1%提高到25.2%，達(dá)到與商業(yè)用晶體硅電池相媲美的程度[9]。

圖1 NREL收錄的鈣鈦礦太陽能電池效率記錄[9]和文獻(xiàn)報(bào)道CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池的效率進(jìn)展圖Fig.1 Efficiency progress of hybrid PSCs collected in NREL efficiency chart[9] and literature reported CsPbI3 PSCs

目前，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料中甲胺(MA+)和甲脒(FA+)等有機(jī)陽離子對(duì)水、光和熱等條件敏感，導(dǎo)致器件在長期工作條件下不穩(wěn)定[10-11]，這也是限制其在商業(yè)應(yīng)用中的最大難題。因此，為獲得更穩(wěn)定的PSCs，用全無機(jī)銫離子(Cs+)取代相對(duì)脆弱的有機(jī)陽離子，形成全無機(jī)銫-鉛鹵化物鈣鈦礦體系(CsPbX3, X = Cl, Br, I)是提高材料穩(wěn)定性的有效途徑。CsPbX3鈣鈦礦中CsPbI3具有最低帶隙(1.73 eV)，是全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的最佳候選材料[12-13]。同時(shí)，CsPbI3可以很好地與窄帶隙鈣鈦礦或晶體Si電池相匹配，用于構(gòu)建雙結(jié)鈣鈦礦/串聯(lián)太陽能電池。相應(yīng)地，基于全無機(jī)CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池的PCE在短短幾年內(nèi)突飛猛進(jìn)，如圖1中(紅色三角形)所示已由2015年第一次報(bào)告到的2.9%大幅提高到18.4%[14-18]。

盡管全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅猛，但其在晶相穩(wěn)定性方面還存在許多困難和挑戰(zhàn)。對(duì)于全無機(jī)CsPbX3鈣鈦礦而言，以CsPbI3為例，預(yù)期有4個(gè)相：立方相(α)、四方相(β)和2個(gè)正交相(黑色γ和非鈣鈦礦黃色δ相)。然而，鈣鈦礦相和非鈣鈦礦多晶型，在不同溫度下均有晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的可逆性[19-20]。如圖2所示，室溫下全無機(jī)鈣鈦礦呈現(xiàn)為δ相(黃色)，樣品在360 ℃以上加熱后轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏}鈦礦α相。在冷卻過程中，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在260 ℃轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵?75 ℃轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟?；這2個(gè)相皆是亞穩(wěn)定的具有光學(xué)活性的黑相。室溫放置又會(huì)很快轉(zhuǎn)化成黃色的δ相。

圖2 CsPbI3在不同溫度下的可逆晶體結(jié)構(gòu)/相轉(zhuǎn)變Fig.2 Reversibility of crystal structure and phase transition of CsPbI3 perovskite at different temperatures

這種溫度相關(guān)的自發(fā)相變是目前制約高性能無機(jī)鈣鈦礦發(fā)展的瓶頸之一，而如何穩(wěn)定CsPbI3鈣鈦礦在低溫下得到黑相成為當(dāng)前研究的重中之重。

鈣鈦礦晶相的穩(wěn)定很大程度上與組成晶格的離子半徑相關(guān)?；诖?，本文總結(jié)了利用離子摻雜提升全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性策略的思路和方法，并分別介紹了A位和B位金屬陽離子摻雜穩(wěn)定全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的研究工作。最后，對(duì)該策略的前景進(jìn)行了展望。

1 離子摻雜

鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)對(duì)于太陽能電池器件的穩(wěn)定性和效率具有重要影響。ABX3鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性通常由Goldschmidt容限系數(shù)(t)進(jìn)行評(píng)估[21-22]：

其中，rA、rB和rX分別是A、B和X元素的離子半徑。當(dāng)t在0.8～1.1之間時(shí)，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)有望穩(wěn)定存在[23-24]。CsPbI3的t為0.81，臨近穩(wěn)定性范圍下限。因此，提高CsPbI3的t是提升其穩(wěn)定性最有效的方法之一。對(duì)于全無機(jī)CsPbI3鈣鈦礦，增大A位陽離子的尺寸和減小B位陽離子和X鹵素陰離子的半徑可以調(diào)節(jié)t值進(jìn)而穩(wěn)定鈣鈦礦晶相。由此，本文重點(diǎn)介紹A位和B位金屬陽離子摻雜穩(wěn)定CsPbI3相的進(jìn)展，部分摻雜可以調(diào)控A、B位離子的平均半徑調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦晶相的穩(wěn)定性強(qiáng)化。

圖3 (a) K+離子摻雜CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池示意圖 [25]； (b) Na+離子摻雜CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖[26]Fig.3 (a) Schematic diagram of K+ doped CsPbI2Br perovskite solar cells device[25], (b) Structure diagram of Na+ doped CsPbI3 perovskite solar cell[26]

1.1 A 位摻雜

對(duì)于全無機(jī)鈣鈦礦CsPbX3(X = Br, I)而言，Cs+是最大的無機(jī)一價(jià)正離子，因此通過增加A位金屬陽離子尺寸來穩(wěn)定CsPbX3非常困難。但是，研究者們還是成功報(bào)道了K+和Na+離子摻雜提高全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的研究工作。如圖3 (a)所示，Nam等[25]用少量K+離子部分取代Cs+離子，使CsPbI2Br鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的 PbX6八面體體積收縮，從而成功的提高了其相穩(wěn)定性。同時(shí)，與非摻雜CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池器件相比，Cs0.925K0.075PbI2Br 構(gòu)建的太陽能電池器件獲得了10.0%的功率轉(zhuǎn)換效率，并在120 h內(nèi)保持了80%的初始PCE。Xiang等[26]通過在CsPbI3晶格中摻雜Na+離子，如圖3(b)所示。通過Na+離子摻雜降低了CsPbI3薄膜的缺陷態(tài)密度并大幅改善了晶粒質(zhì)量，從而顯著提高了CsPbI3太陽能電池的開路電壓(Voc)和PCE。摻雜后的Cs0.95Na0.05PbI3鈣鈦礦太陽能電池器件的Voc由0.77 V迅速增加到0.92 V，PCE由8.6%提高到10.7%。相應(yīng)地，非封裝器件在空氣中儲(chǔ)存70 d后幾乎沒有性能下降。

此外，Guo等[27]通過摻入銣離子(Rb+)，得到的CsPbI2Br太陽能電池具有更好的性能和穩(wěn)定性。摻雜Rb+后的CsPbI2Br薄膜可以提高結(jié)晶質(zhì)量、改善表面形貌和增強(qiáng)光吸收能力。從而抑制CsPbI2Br薄膜中的陷阱態(tài)和復(fù)合，相應(yīng)器件獲得1.21 V 的開路電壓和12%的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，Rb+離子摻雜CsPbI2Br薄膜的退火溫度可以低至150 ℃，大大降低了生產(chǎn)成本。

目前為止，A位金屬陽離子的摻雜可以提升全無機(jī)鈣鈦礦CsPbX3(X = Br, I)穩(wěn)定性及相應(yīng)的PCE。然而，其穩(wěn)定性提升的機(jī)理為半徑小的金屬陽離子引起PbX6八面體體積收縮而不是取代Cs+位置，這也與增加全無機(jī)鈣鈦礦A位陽離子半徑使其晶相穩(wěn)定相悖。反之，全無機(jī)鈣鈦礦中的B位上則需要減小其離子半徑。

1.2 B位摻雜

全無機(jī)鈣鈦礦的B位摻雜，主要是Pb2+離子的摻雜。其摻雜原則上一般選取比Pb2+離子半徑(120 pm)小的金屬陽離子進(jìn)行部分替代，從而獲得穩(wěn)定的CsPbX3鈣鈦礦。表1給出了近年來成功摻雜的金屬陽離子，并對(duì)其離子半徑、鈣鈦礦組分和效率進(jìn)行了總結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著摻雜濃度的不同或者鈣鈦礦組分不同少部分金屬陽離子可以在鈣鈦礦表層形成鈍化層，如Mn2+[28]、Sr2+[29]、Ca2+[30]、Ba2+[31]和Zn2+[32]等。而大多數(shù)的摻雜金屬離子可以進(jìn)入鈣鈦礦晶格，如Sn2+[33]、Eu2+[35]、Bi3+[36]、Ni2+[37]、Ge2+[38]、Nb5+[39]和Cu2+[40]等。

表1 全無機(jī)鈣鈦礦中的摻雜離子及其半徑和對(duì)應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換效率

Tab.1 Doped ions in all-inorganic perovskites, their radius and corresponding PCE

摻雜離子離子半徑/pm鈣鈦礦組分效率/%參考文獻(xiàn)Mn2+67CsPbI2Br13.47[28]Sr2+113CsPbI2Br11.3[29]Ca2+100CsPbI313.3[30]Ba2+135CsPbI2Br14.0[31]Zn2+74CsPbI2Br13.6[32]Sn2+112CsPbI2Br11.33[33]Eu3+95CsPbI36.0[34]Eu2+117CsPbI2Br13.71[35]Bi3+108CsPbI313.21[36]Ni2+69CsPbI2Br13.88[37]Ge2+73CsPbI2Br10.8[38]Nb5+64CsPbI2Br10.42[39]Cu2+73CsPbI2Br16.15[40]

Bai等[28]添加Mn2+離子后發(fā)現(xiàn)，Mn2+離子位于CsPbI2Br晶格結(jié)構(gòu)的空隙中，而不是代替Pb2+。此外，過量的Mn2+離子在晶界聚集，特別是 CsPbI2Br 膜的表面，對(duì)鈣鈦礦層起到鈍化作用(見圖4(a))。結(jié)果表明，優(yōu)化的CsPbI2Br太陽能電池器件的PCE為13.4%以及1.17 V的開路電壓。Ho-Baillie團(tuán)隊(duì)[29-30]研究發(fā)現(xiàn)，Sr2+和Ca2+在高含量時(shí)會(huì)在鈣鈦礦表面形成富鈣氧化物層，提供鈍化效果。Xiang等[31]通過在CsPbI2Br中添加Ba2+離子發(fā)現(xiàn)其并沒有進(jìn)入鈣鈦礦晶格，而是引起相偏析，從而導(dǎo)致鈣鈦礦相帶隙能的降低。含物質(zhì)的量濃度為20% Ba2+離子的CsPbI2Br太陽能電池器件顯示出14.0%的PCE和1.33 V的開路電壓。Yang等[32]研究發(fā)現(xiàn)Zn2+摻雜時(shí)，會(huì)進(jìn)入CsPbI2Br鈣鈦礦晶體的間隙位置，如圖4(b)所示。Zn2+離子與鹵素陰離子有較強(qiáng)的相互作用，不僅可以調(diào)控晶體生長同時(shí)也可以鈍化晶界。CsPb0.9Zn0.1I2Br PSCs器件的效率為13.6%，遠(yuǎn)高于未摻雜電池的11.8%。

圖4 (a) CsPbI2Br鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)以及Mn2+離子摻雜的示意圖[28]； (b) Zn(藍(lán)色球)在鈣鈦礦晶格間隙的示意圖[32]； (c) Eu3+離子摻雜CsPbI3鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)示意圖[34]； (d)Cu2+離子摻雜CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池器件的J-V曲線[40]Fig.4 (a) Schematic structure of the device and illustration of the Mn2+ ions doping modes: interstitial and substituting[28], (b) The scheme of interstitial Zn (blue ball) in perovskite lattice[32], (c) Schematic structure of the Eu3+ ions doping CsPbI3 perovskite[34], (d) J-V curves of Cu2+ ions doping CsPbI2Br perovskite solar cells[40]

Jena等[34]在CsPbI3中加入Eu3+離子使α-CsPbI3薄膜的退火溫度降低到85 ℃，摻雜Eu3+離子的CsPbI3鈣鈦礦薄膜抑制了黑相到黃相(δ-CsPbI3)的轉(zhuǎn)變(見圖4(c))。當(dāng)Eu3+離子物質(zhì)的量含量為5%～6%時(shí)，CsPbI3∶xEu電池的功率轉(zhuǎn)換效率高于6%。雖然，電池器件的穩(wěn)定性和效率還不夠完美，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是可以為進(jìn)一步優(yōu)化電池的組成和結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。Xiang等[35]在室溫下通過Eu2+離子摻雜穩(wěn)定了無機(jī)CsPbI2Br鈣鈦礦，并證明了Eu2+離子摻入到鈣鈦礦晶格。在Eu2+離子物質(zhì)的量含量為5%時(shí)，得到CsPb0.95Eu0.05I2Br鈣鈦礦太陽能電池器件的最大功率轉(zhuǎn)換效率為13.71%，開路電壓高達(dá)1.27 V。此外，器件在運(yùn)行370 h后仍保持93%的初始效率[35]。Hu等[36]用Bi3+離子部分取代Pb2+離子，使α-CsPbI3在室溫下穩(wěn)定下來。通過調(diào)整Bi3+離子的化學(xué)計(jì)量比，得到穩(wěn)定性好、光吸收和導(dǎo)電性好的α-CsPb1-xBixI3薄膜。在最佳條件下(摻入Bi3+物質(zhì)的量含量為4%)，鈣鈦礦太陽能電池的PCE高達(dá)13.21%。同時(shí)，未封裝的α-CsPb1-xBixI3太陽能電池在濕熱環(huán)境條件(T=25 ℃;RH=55%)下運(yùn)行168 h后仍然保持初始PCE的68%。Yang等[40]通過質(zhì)量百分比為2% 的Cu2+離子摻雜，延緩CsPbI2Br結(jié)晶動(dòng)力學(xué)并形成高質(zhì)量的全無機(jī)鈣鈦礦薄膜，如圖4(d)所示。Cu2+離子摻雜優(yōu)化的鈣鈦礦太陽電池電池提供了16.15%的冠軍功率轉(zhuǎn)換效率，也是目前基于CsPbI2Br的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。

2 結(jié)論與展望

本文從A、B位陽離子摻雜的角度出發(fā)，總結(jié)了一系列金屬陽離子摻雜對(duì)全無機(jī)鈣鈦礦穩(wěn)定性的影響。分別介紹了A位和B位陽離子摻雜，并闡述了金屬陽離子摻雜全無機(jī)鈣鈦礦的機(jī)理與器件性能提升進(jìn)展。研究表明，通過金屬離子摻雜可以相應(yīng)的提升全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性和功率轉(zhuǎn)換效率。正如本文所述，金屬離子摻雜不僅可以使全無機(jī)鈣鈦礦的晶相穩(wěn)定而且還能降低退火溫度從而節(jié)約生產(chǎn)成本(如Bi3+、Eu3+和Ge2+離子等)。結(jié)合目前報(bào)道的提升全無機(jī)鈣鈦礦穩(wěn)定性的方法手段，認(rèn)為金屬離子摻雜是最有效的方法之一。

金屬離子摻雜為提升全無機(jī)鈣鈦礦的穩(wěn)定性提供了可行的解決方案，但以下研究方向?qū)τ谶M(jìn)一步提升全無機(jī)鈣鈦礦材料和器件的穩(wěn)定性具有更重要意義：

(1) 揭示金屬陽離子摻雜提升全無機(jī)鈣鈦礦穩(wěn)定性的機(jī)制。目前而言，成功報(bào)道的離子摻雜都是性能有所提升的。當(dāng)然，還應(yīng)有很多未成功的案例。如果對(duì)失敗的進(jìn)行研究并理解其中的原因，這樣對(duì)金屬離子摻雜鈣鈦礦器件的應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。

(2) 設(shè)計(jì)與合成新的穩(wěn)定全無機(jī)鈣鈦礦材料。對(duì)于鉛鹵鈣鈦礦而言，商業(yè)化進(jìn)程中迫切需要消除有毒的Pb。而Sn可以作為Pb的替代者，但其自身的氧化性問題也限制了進(jìn)一步應(yīng)用。所以，通過多樣性的金屬離子摻雜，有望發(fā)現(xiàn)更好的全無機(jī)鈣鈦礦材料，如毒性更小和更理想的光學(xué)帶隙材料。