服务粉丝

我们一直在努力
当前位置：首页 > 财经 >

郑直&丁黎明：高效率/带隙可调的CABI/CuI双层结构薄膜太阳能电池，首次用一步低温气固相扩散反应原位制备

日期： 来源：nanomicroletters收集编辑：纳微快报

 点击蓝字 · 关注我们



非铅无机铜银铋碘(CABI)材料因其具有对环境友好、元素丰度高、成本低等优点受到越来越多的关注。本文首次利用气-固相扩散诱导原子氧化还原反应制备出一系列带隙可调的CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI双层结构的半导体薄膜材料。通过设计和调节溅射Cu/Ag/Bi三种金属薄膜厚度，使CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ的带隙从2.0 eV降低到1.78 eV。通过构建FTO/TiO₂/CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI/carbon结构的太阳能电池，其光电转换效率达到2.76%，是目前这类材料中最高效率。此工作为开发下一代高效、稳定、环保的光伏材料提供了一条切实可行的路径。

One-Step Gas–Solid-Phase Diffusion-Induced Elemental Reaction for Bandgap-Tunable CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI Thin Film Solar Cells

Erchuang Fan, Manying Liu*, Kangni Yang, Siyu Jiang, Bingxin Li, Dandan Zhao, Yanru Guo, Yange Zhang, Peng Zhang, Chuantian Zuo, Liming Ding* and Zhi Zheng*

Nano-Micro Letters (2023)15: 58

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01033-5

本文亮点

1. 首次采用一步低温气固相扩散反应原位制备CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI双层薄膜。

2. 基于新型的CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ光伏材料，通过打破Ag:Bi = 1:1的双钙钛矿结构的限制，将这类材料的带隙从2.06 eV降低到1.78 eV。

3. 以FTO/TiO₂/CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI/carbon结构太阳能电池的光电转换效率(PCE)达到2.76%，是该类光伏材料的最高效率。

内容简介

铅基钙钛矿的泄露问题和不稳定性是实现其商业化的一大障碍。许昌学院郑直课题组和国家纳米科学中心丁黎明课题组通过利用Ag⁺和Bi³⁺组成替换Pb²⁺，Cu⁺替换Cs⁺设计新型CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ光伏材料，并首次通过气-固相诱导原子扩散氧化还原反应的方法制备出一系列带隙可调的CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI双层结构半导体薄膜材料。CuI作为天然的空穴传输层能够与吸收层紧密结合，促进光生载流子的有效分离，提高光伏性能。通过调节Cu、Ag、Bi的元素比例，使CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ的带隙从2.0 eV降低到1.78 eV，使以FTO/TiO₂/CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI/Carbon结构的太阳能电池光电转换效率达到2.76%，目前为该类材料的最高值。

图文导读

I CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI的合成示意图及晶体结构的表征

双层结构膜CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI的制备过程及结构表征如图1所示。图1a为CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI薄膜原位合成示意图；图1b为CuAgBi₂I₈/CuI、CuAgBi₂I₈粉体的XRD谱和MS软件计算结果，图1c为CuAgBi₂I₈晶体结构示意图。图1d高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）显示CuAgBi₂I₈的0.216和0.230 nm的晶面间距分别对应于2θ=42.8°和38.6°的(440)和(333)晶面，表明成功合成了CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ光伏薄膜材料。

图1. (a) 通过调节Cu/Bi/Ag金属薄膜厚度，在低温下气-固相扩散诱导铜-银-铋-碘直接金属表面元素反应(DMSER)制备CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI的示意图；(b) CuAgBi₂I₈/CuI、CuAgBi₂I₈粉体的XRD谱和MS软件计算结果；(c) 在CuBiI₄结构中用Ag取代Cu得到的CuAgBi₂I₈晶体结构示意图；(d) CuAgBi₂I₈的HR-TEM图像以及CuAgBi₂I₈红色区域和黄色区域的FFT图谱。
II CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ的形貌表征及成分分析
从CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ的表面图（图2a, b, c）可知，随着Cu含量的增加，表面CuI晶粒逐渐变大，说明Cu含量的增加可以促进CuI的生长，在上层形成一层致密的CuI薄膜。表面CuI可作为CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ吸收层的天然空穴传输材料，而且与吸收层具有良好的界面接触，有利于促进空穴的传输，提高效率。在截面图上（图2d, e, f）可以明显观察到致密的CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ和CuI双层结构，Cu、Ag、Bi和I元素在吸收层中均匀分布。通过不少于三个区域的EDX元素统计计算，Cu0.6Ag1Bi2I7.6、Cu0.7Ag1Bi2I7.7和CuAgBi₂I₈中Cu、Ag、Bi、I的元素比分别为0.6: 1: 2: 7.6，0.7: 1: 2: 7.7和1: 1: 2: 8。XPS和ICP测试也进一步印证了EDX测试的元素比例。Ag：Bi=1：2表明新合成的CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ化合物打破了传统双钙钛矿Ag : Bi=1 : 1的限制。
图2. CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI的表面和截面SEM图。(a)、(d) Cu0.6Ag1Bi2I7.6的表面和截面SEM图；(b)、(e) Cu0.7Ag1Bi2I7.7的表面和截面SEM图；(c)、(f) CuAgBi₂I₈的表面和截面SEM图；(g) Cu0.6Ag1Bi2I7.6，(h) Cu0.7Ag1Bi2I7.7和 (i) CuAgBi₂I₈中Cu、Ag、Bi、I的EDS元素分布图。
III CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ的光学性能表征
如图3a所示，随着Cu含量的增加，CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ吸收边出现红移。根据Tauc-plot计算可知(图3b)，CuAgBi₂I₈带隙约为1.78 eV，比报道的2.06 eV （Cu2AgBiI6）低0.28 eV，Ag/Bi比例的改变在带隙调控策略中起着关键作用。瞬态荧光光谱（TRPL）曲线表明，随着Cu含量的增加, CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ平均载流子寿命（τave）从81.3 ns （Cu0.6Ag1Bi2I7.6）增加到201 ns（CuAgBi₂I₈），表明CuAgBi₂I₈薄膜在电荷分离方面更有优势。CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ薄膜的TSPV信号为正值，意味着CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ薄膜具有n型半导体性质。CuAgBi₂I₈薄膜具有较高的光电压信号，表明其光生载流子浓度最高，有利于短路电流的提高。

图3. (a) CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ薄膜的紫外-可见吸收光谱；(b) CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ薄膜的Tauc图；(c) 刻蚀后CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ薄膜的瞬态光谱(TRPL)图和(d) TSPV曲线。

IV CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ的器件性能

基于CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ薄膜优异的光学性能，我们制备了FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI/carbon结构的器件(图4a)。图4(b)显示CuAgBi₂I₈吸收层和TiO₂电子传输层和CuI空穴传输层具有更加匹配的能级结构，可以实现电子和空穴的有效传输。图4(c)为CuAgBi₂I₈器件的电流-电压(J-V)曲线，由于带隙的减小和天然空穴传输层CuI的存在，CuAgBi₂I₈器件短路电流密度达到10.8 mA/cm²，最高效率达到2.76%，为目前这种材料的最高效率。

图4. (a) FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ/CuI/carbon器件截面扫描电子显微图像；(b) CuₐAgₘ₁Biₘ₂Iₙ薄膜器件的能级图；(c) CuAgBi₂I₈器件电流-电压(J-V)图；不同条件下20个器件的(d) PCE、(e) Voc、(f) Jsc和(g) FF统计图。


作者简介



范二闯

本文第一作者

郑州大学和许昌学院 联培博士研究生
▍主要研究领域
全无机非铅钙钛矿太阳能电池的研究。



刘满营

本文通讯作者

许昌学院  讲师
▍主要研究领域
有机多孔高分子材料的合成与及其应用、类钙钛矿光伏材料 。

▍主要研究成果

2020年毕业于华中科技大学，高分子化学与物理专业，获得博士学位。2020年7月至今在许昌学院校聘副教授，在Angew. Chem.、Adv. Mater.、J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Commun.、ChemSusChem等国际期刊上发表论文10余篇，高被引论文两篇（Angew.Chem. Int. Ed. 2018, 57, 11968. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 5153），主持或参与国家和省部级科研项目5项。

▍Email：manyingliu988@xcu.edu.cn



丁黎明

本文通讯作者

国家纳米科学中心  研究员
▍主要研究领域
有机太阳能电池，钙钛矿太阳能电池。

▍主要研究成果

目前研究工作包括钙钛矿太阳电池，有机太阳电池，光探测器，丁黎明团队在太阳电池领域多次刷新世界纪录，所研发的高性能太阳电池材料已有3个进入国际市场。丁黎明教授是RSC Fellow, 2019-2022 Sci Bull副主编，现任J of Semicond副主编，Nano-Micro Letters编委，Energy Adv顾问, Mater Chem Front顾问, DeCarbon执行副主编，2017有机太阳电池重点研发计划首席科学家, 2022柔性光伏重点研发计划首席科学家，中国感光学会光电材料和器件分会主任，科学探索奖提名人，青山科技奖评委，广东省透明导电薄膜工程研究中心学术委员会主任。2015年度英国皇家化学会“Top 1%高被引中国作者”。全球高被引科学家（交叉学科）。Wiley威立中国开放科学2022年度作者奖。在Science, Joule, Energy Environ Sci, Angew Chem, Nature Comm, Adv Mater等科学期刊发表研究论文442篇。钙钛矿材料和器件英文专著1本，有机太阳电池英文专著1本。专利10项。

▍Email：ding@nanoctr.cn



郑直

本文通讯作者

许昌学院 教授


▍主要研究领域
有机、无机半导体薄膜光伏材料制备及其应用；微纳米结构半导体材料的制备及应用。

▍主要研究成果

许昌学院教授，中原学者，国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才支持计划入选者，河南省科技创新杰出人才和杰出青年基金获得者。郑直教授在利用金属表面单质反应制备薄膜材料方面具有很高的学术造诣，设计制备了30多种二元和多元无机硫族化合物、卤族化合物（包括卤化钙钛矿、非铅类钙钛矿）等半导体光电材料。开创了低温电极原位构筑三维骨架结构薄膜及杂化太阳能电池器件的新领域。研究论文发表在《J. Am. Chem. Soc.》、《Adv. Mater.》、《Energy Environ. Sci.》、《Nano Today》、《Chem. Mater.》等杂志。课题组仅在金属表面单质反应研究方向发表SCI收录论文近70篇，获得授权国家发明专利20余件。作为第一完成人的相关成果获得河南省科技进步奖一等奖。

▍Email：zzheng@xcu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/40820
E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

扫描上方二维码关注我们

点击阅读原文/扫描上方小程序码在免费获取英文原文

文章推荐

相关阅读

  • Science：把MXenes进行到底！

  • 特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。原创丨爱吃带鱼的小分子编辑丨风云现

  • ACS AMI | Fe³⁺高效宽带近红外长余辉

  • 英文原题：Near-infrared Long Afterglow in Fe3+-activated Mg2SnO4 for Self-sustainable Night Vision通讯作者：金亚洪，胡义华，广东工业大学；王锋，香港城市大学作者：Minzhong Li，Y

  • FIE｜卡路里材料：下一代高效热泵的未来之路

  • 本文来自“FIE能源前沿期刊”，文章仅代表作者观点，与“科研圈”无关。阅读论文原文请点击“A hot future for cool materials”。01摘要对热泵的广泛需求迫使人们不断寻找提高

聚合标签

中国 自己的 美国 都是 疫情 的人 亿元 的是 三星 手机 华为 这款 车型 万元 企业 日本 小米 俄罗斯 民警 项目

热门文章

  • “复活”半年后　京东拍拍二手杀入公益事业

  • 京东拍拍二手“复活”半年后，杀入公益事业，试图让企业捐的赠品、家庭闲置品变成实实在在的“爱心”。 把“闲置品”变爱心 6月12日，“益心一益·守护梦想每一步”2018年四

最新文章

  • 培训班：COMSOL多物理场仿真模拟

  • 【科研绘图 ➡ 中科幻彩】专业硕博设计师团队，每年超1万个成功案例，让文章轻松“更上一分区”！中科幻彩充值返现最高数千元！COMSOL 全称“COMSOL Multiphysics”是一款功能强大

  • Science：把MXenes进行到底！

  • 特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。原创丨爱吃带鱼的小分子编辑丨风云现

  • 全市百家“专精特新”企业校园揽才

  • “听老师说今天来招聘的都是‘专精特新’企业，有100家，我提前准备了十余份简历，多投一份就多一个就业机会。”在北京工业大学里，学生小张匆匆赶往体育馆参加招聘会，“‘专精特新