全无机钙钛矿太阳能电池开路电压新突破：利用ZnO电子传输层在效率超20.0%基础上实现1.28 V超高开路电压

研究背景

铯铅基卤素全无机钙钛矿太阳能电池由于其优异的热稳定性和较宽的带隙在串联太阳能电池中得到了广泛的关注。现阶段，全无机钙钛矿太阳能电池实现了超过20%的光电转换效率，这些研究工作大多是基于CsPbI ₃ (带隙1.73 eV) 体系以及TiO ₂ 电子传输层。一方面，TiO ₂ 电子传输层由于较高的加工温度（超过450 ℃）和较低的电子迁移率，并不是最佳的选择。另一方面，在目前报道的效率超过20%的全无机钙钛矿太阳能电池中，开路电压（ V _OC ）的最高值是1.23 V。为充分发挥全无机钙钛矿太阳能电池的优势，提高 V _OC 是很有必要的且仍有很大的提升空间。

成果简介

为了实现高效率高 V _OC 的全无机钙钛矿太阳能电池，香港中文大学 路新慧 课题组开发了一种简便有效的策略，采用 PbX ₂ （X=I ^- ，Cl ^- 和 CH ₃ COO ^‑ ）改善sol-gel法低温制备的ZnO电子传输层。研究表明：一方面，通过PbX ₂ 改性得到的ZnO (PbX ₂ :ZnO) 可以有效地改善其表面亲水性并降低粗糙度，从而更利于上层 CsPb(I1-xBrx) ₃ 的生长，得到的钙钛矿层具有更加均匀的晶粒分布以及更高的取向性。另一方面，PbX ₂ 的引入会影响ZnO的结晶，得到的PbX ₂ :ZnO表面的氧空位含量更高，而氧空位是ZnO n-型导电性的重要原因，并且对其的物理和化学性质起着至关重要的作用。通过开尔文探针力显微镜（KPFM） 和 紫外光电子能谱（UPS） 进一步证明了PbX ₂ :ZnO 相较于ZnO费米能级更加靠近导带底 （CBM）的位置。此外，PbX ₂ :ZnO的CBM也更浅，这会导致更浅的电子准费米能级，从而有利于提高 V _OC 。PbX ₂ :ZnO可以与钙钛矿层形成有利的导带能级排列，促进电子的提取和转移，减少界面处的电子-空穴复合，提高 V _OC 和填充因子（FF）。最终，基于PbX ₂ :ZnO的CsPb(I _1-x Br _x ) ₃ 实现了20.04%的光电转化效率，1.28 V的 V _OC 以及超过84%的FF。这是迄今为止报道的效率超过20%的全无机钙钛矿太阳能电池的最高 V _OC 。值得注意的是这种PbX ₂ :ZnO电子传输层在不同Br/I 比例的CsPb(I _1-x Br _x ) ₃ 全无机钙钛矿太阳能电池中都表现出了更优异的性能，表明其在提高全无机钙钛矿太阳能电池 V _OC 和FF上优异的普适性。

此外，在最终的器件中，并没有探测到PbX ₂ 相，因此这种方法并不会引入过量的PbX ₂ 而牺牲器件稳定性。基于PbI ₂ :ZnO电子传输层的器件表现出了更加优异的稳定性，在1000 h N ₂ 黑暗环境下可以保持97%的初始效率，在1032 h N ₂ 0.8 Sun光照环境下可以保持85%的初始效率，在132 h的相对湿度为18%  2%环境下可以保持92%的初始效率。

文章信息

Xiao Wu, Jianquan Zhang, Minchao Qin, Kuan Liu, Ziyu Lv, Zhaotong Qin, Xinlu Guo, Yuhao Li, Jianbin Xu, Gang Li, He Yan, Xinhui Lu,* ZnO electron transporting layer engineering realized over 20% efficiency and over 1.28 V open-circuit voltage in all-inorganic perovskite solar cells, EcoMat . 2022; e12192.

原文链接： https://doi.org/10.1002/eom2.12192