背景介绍
以钙钛矿材料作为吸光层的太阳能电池，因其光电转化效率高、带隙连续可调以及成本低廉等优点，近几年受到广泛关注。改善钙钛矿薄膜质量是提升钙钛矿太阳能电池性能的重要手段。研究表明，引入碱金属离子作为添加剂可以提高钙钛矿薄膜结晶度，对与改善薄膜形貌、提高载流子传输性能具有积极意义。但目前大多数以碱离子为添加剂的研究着眼于添加K+，对于其他碱金属离子添加对钙钛矿薄膜的影响较少关注，如Rb+。尽管Rb+常见于与其他离子混合添加的研究中，但有关单独添加Rb+对钙钛矿薄膜形貌与电池性能的影响的研究很少，并且缺乏不同比例添加效果的对比。
为探究不同浓度Rb+添加对钙钛矿薄膜与太阳能电池性能的影响，李清海团队将氯化铷（RbCl）作为添加剂引入FA0.665MA0.285Cs0.05PbI3钙钛矿（PVK）薄膜，发现添加适宜浓度的RbCl能够引导钙钛矿晶粒生长，有效改善载流子传输，提升太阳能电池光伏性能。基于实验结果，获得了最佳的添加比例。
研究方法
本项工作以PVK薄膜作为对照，引入不同摩尔比例的RbCl作为添加剂，利用场发射扫描电子显微镜、能谱仪、原子力显微镜和X射线衍射仪等对薄膜表面形貌进行表征，并利用稳态/瞬态荧光光谱仪对载流子传输性能进行分析。为分析薄膜光吸收特性的变化，使用紫外/可见/近红外分光光度计对薄膜吸光度进行了测试。基于FTO/SnO2/PVK/Spiro-OMeTAD/Au电池结构合成太阳能电池器件，利用太阳光模拟器和量子效率分析仪，获得了不同添加比例的钙钛矿太阳能电池光伏性能，并进行对比分析。
成果简介
研究表明，RbCl的引入可以有效引导钙钛矿晶粒生长，4%添加时薄膜平均晶粒尺寸为2.14 μm，相对于对照组增加了33%。结合EDS图谱和XRD图像，RbCl并未完全进入晶格，部分RbCl与过量的PbI2形成了PbI2/RbCl混合相，分布于晶格间隙位置和表面。研究结果发现，低浓度添加有利于增大晶粒尺寸，提高薄膜结晶度，减少晶界，但当添加浓度过高时，过量Rb+会引起晶体结构损伤和畸变，致使薄膜质量降低。由TRPL图谱可知，4%RbCl的添加可有效增强界面间的载流子传输，加快电荷提取，抑制钙钛矿薄膜载流子非辐射复合，但高比例的添加对电荷的提取有负面影响。另一方面，通过对钙钛矿薄膜的光吸收特性表征发现，RbCl的引入并未引起带隙变化。低浓度添加RbCl时，薄膜吸光度与对照组几乎一致，但高浓度添加时，薄膜粗糙度增加，引起光学损失，致使薄膜吸光度下降。
图1 （a）对照组和（b）添加4%RbCl的薄膜表面SEM图像；（c）钙钛矿薄膜局部XRD图谱；添加4%RbCl的钙钛矿薄膜（d）晶格表面和（e）表面白色晶体的EDS能谱图；以不同比例添加RbCl的钙钛矿薄膜的（f）TRPL谱图；（g）SSPL谱图；（h）UV-vis吸收光谱
薄膜质量的改善和载流子传输性能的优化引起了电池器件开路电压、短路电流密度和填充因子等参数的提高。实验发现，以小于等于8%比例添加RbCl能大幅提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。结合薄膜分析，最佳RbCl添加摩尔比例为4%，可将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率提升至20.07%，相对于未添加RbCl的电池器件提高了6.30%。这一发现对于改善钙钛矿薄膜质量、提高钙钛矿太阳能电池性能具有重要意义。
图2 以不同比例添加RbCl的钙钛矿太阳能电池的（a）短路电流密度；（b）开路电压；（c）填充因子；（d）光电转化效率；（e）外量子效率曲线
课题组及作者简介
该论文的研究团队来自于清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室张衍国课题组，第一作者为博士生高宇，合作者包括张衍国教授、周会副教授和李清海副研究员，李清海老师为唯一通讯作者。本课题组的研究工作涵盖生物质/废弃物资源化、二氧化碳捕集与转化、可再生氢能的生产与存储、能源领域的多相催化、高效可调带隙钙钛矿太阳能电池的研发、光学薄膜研制和太阳能光伏/光热联用等方向。该工作得到了国家自然科学基金和清华大学山西清洁能源研究院种子基金项目的支持。
文章信息
高宇,张衍国,周会等.氯化铷添加剂对钙钛矿太阳能电池性能的影响[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-10[2023-11-02].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.001.
期刊介绍
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