经过紫外线-臭氧处理的半透明无机钙钛矿太阳能电池实现了5.44%的光利用效率

《Chemical Engineering Journal》：UV-ozone passivated semi-transparent inorganic perovskite solar cells achieving 5.44% light utilization efficiency

优化CsPbBr3半透明太阳能电池光利用效率的UV-ozone钝化策略研究，通过氧原子钝化Pb2?缺陷降低非辐射复合，实现9.42%最高PCE和5.44%LUE，同时保持57.74%高透光率及500小时稳定运行。

　　

尹欣|邹胜文|金金龙|张静静|卢世奇|建华|严晓军|黄建梅

北京航空航天大学能源与动力工程学院，中国北京100191

摘要

在高可见光透射率和高光电转换效率之间的权衡在高性能半透明太阳能电池的开发中是一个巨大的挑战，这最终限制了它们的光利用效率（LUE）和实际应用。无机钙钛矿CsPbBr₃由于其宽带隙和天然的高平均可见光透射率（AVT > 40%）而成为半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）的有希望的候选材料。然而，半透明CsPbBr₃器件的相对较低的光电转换效率（PCE）阻碍了其LUE的提高。本文提出了一种紫外-臭氧钝化策略来沉积高质量的钙钛矿薄膜。通过引入氧原子，可以有效钝化钙钛矿中的未配位Pb²⁺，形成稳定的Pb-O键，从而减少缺陷态密度和相关的非辐射复合。结果，优化后的器件在所有报道的CsPbBr₃ ST-PSCs中实现了9.42%的创纪录PCE。结合57.74%的高AVT，该器件在不需要复杂光学调节的情况下提供了显著的LUE（5.44%）。此外，未封装的器件在连续1太阳光照下运行500小时后仍保持了92.2%的初始效率。本研究为有效的无残留钝化提供了指导，并实现了高效、稳定且成本效益高的全无机ST-PSCs，适用于不同的应用。

引言

半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）能够传输阳光并产生光伏电力，由于其在建筑集成光伏、车辆集成光伏、农业温室系统和串联太阳能电池等领域的独特优势和多样化的应用潜力而受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。在光伏器件中实现透明性不可避免地会导致一些光电效率损失，因此，仅凭平均可见光透射率（AVT）或光电转换效率（PCE）指标无法充分评估半透明器件的性能。因此，与传统的不透明光伏器件不同，提出了一种专门的指标——光利用效率（LUE）来评估ST-PSCs。这一关键指标可以有效量化半透明光伏器件中的AVT–PCE平衡[8]、[9]。尽管在优化AVT和PCE方面取得了相当大的进展，但大多数报道的ST-PSCs的LUE值仍低于5%，远低于非波长选择性器件的理论极限（约8.28%）[8]。因此，开发具有高LUE值的半透明光伏器件对于促进其在商业应用中的广泛采用至关重要。

宽带隙钙钛矿CsPbBr₃的带隙约为2.3 eV，这意味着其天然的高AVT（超过40%）可以在不显著减少薄膜厚度和牺牲电流密度的情况下实现[2]、[10]。此外，CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池（PSCs）表现出高电压和出色的耐热性和耐湿性，使其成为高性能ST-PSCs的有利候选材料[11]、[12]、[13]、[14]。Peng等人制备的CsPbBr₃ ST-PSCs的PCE为7.28%，AVT为44%，LUE为3.2%[10]。我们的团队制备的CsPbBr₃ ST-PSCs具有迄今为止最高的PCE（8.35%）、高AVT（53%）和创纪录的LUE（4.43%）[6]。然而，CsPbBr₃ ST-PSCs的PCE仍然相对较低，仅约为Shockley–Quieisser极限值（16.37%）的50%，阻碍了其LUE达到理论潜力。对于实际应用，需要在保持所需AVT水平的同时进一步优化PCE，以最大化LUE性能。

钙钛矿薄膜中的表面/界面缺陷通常会导致非辐射复合和电流泄漏，通常被认为是PSCs能量损失的主要原因[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。已经采用了多种策略，如埋藏界面修饰、添加剂钝化和后处理方法来提高薄膜质量和减少缺陷密度[20]、[21]、[22]、[23]。在各种钝化剂中，利用氧原子与未配位Pb²⁺之间的强相互作用来钝化缺陷在高性能钙钛矿薄膜的制备中得到了广泛应用。例如，Tang等人使用二苯氧基苯（DPOB）分子作为表面修饰剂来制备高质量的CsPbBr₃薄膜[24]。DPOB中的两个氧原子与钙钛矿薄膜表面的未配位Pb²⁺发生化学键合，从而减少缺陷并提高器件性能。类似地，Wu等人报告称，在1,1,2,2-四（4-甲氧基苯）乙烯中使用多部位氧原子可以填充碘空位并钝化钙钛矿薄膜的表面缺陷[25]。此外，P-O官能团已被证明可以利用氧原子来减少Pb²⁺和Br^?的电子云密度，有助于抑制钙钛矿晶格中的缺陷[26]。然而，钝化剂通常会引入过多的官能团或钝化效果，残留在钙钛矿层中的分子可能对器件稳定性产生不利影响[27]、[28]。

在这里，我们开发了一种紫外-臭氧（UVO）钝化策略，利用紫外和臭氧分子的联合效应来提高ST-PSCs的PCE，保持高AVT，并实现增强的LUE。我们的发现表明，对PbBr₂薄膜的UVO处理可以有效钝化钙钛矿薄膜中的未配位Pb²⁺，同时减缓钙钛矿晶粒的成核和结晶过程。这种方法将PCE提高到了迄今为止报道的所有CsPbBr₃ ST-PSCs中的最高水平，即9.42%。此外，由于器件保持了57.74%的高AVT，其LUE提高到了5.44%，使其跻身半透明光伏领域的最先进性能之列。这些结果展示了ST-PSCs中光学透明性和光伏效率之间的最佳平衡。此外，UVO改性的器件在连续1太阳光照下进行500小时的最大功率点（MPP）跟踪后，仍保持了92.2%的初始效率。总体而言，本研究为钙钛矿的化学钝化提供了一种直接有效的方法，并为最大化ST-PSCs中的阳光利用铺平了道路，从而加速了半透明光伏技术的商业化进程。

章节摘录

对PbBr₂和钙钛矿薄膜的UVO钝化

对于宽带隙钙钛矿器件来说，提高LUE并使其能够实际应用的关键策略是在保持足够AVT的同时提高PCE。为了制备具有改进PCE的高性能CsPbBr₃器件，需要开发具有高结晶度、大晶粒尺寸、良好控制的形态和降低陷阱态密度的CsPbBr₃钙钛矿薄膜。在制备CsPbBr₃薄膜的各种沉积方法中，两步顺序沉积方法提供了更好的

结论

总结来说，我们采用了UVO钝化策略来制备高质量的钙钛矿薄膜，从而提高了半透明钙钛矿太阳能电池的PCE和LUE。通过对基础PbBr₂基底表面进行UVO处理，引入氧原子与未配位的Pb²⁺相互作用，钝化了缺陷并减少了钙钛矿薄膜中的陷阱态。同时，铅离子和氧原子之间的强相互作用减缓了成核过程

实验部分

材料：图案化的氧化铟锡（ITO）基底来自北京华民新材料科技有限公司。SnO₂胶体前体（12 wt%）、2,2′,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二氟烯（Spiro-OMeTAD）和FK209盐来自西安Yuri Solar有限公司。溴化铅（PbBr₂，99.99%）、异丙醇（IPA）、溴化铯（CsBr，99.9%）和双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂盐（Li-TFSI）来自Sigma-Aldrich。

CRediT作者贡献声明

尹欣：撰写 – 原始草稿、方法学、研究、数据分析、概念化。邹胜文：方法学、研究。金金龙：方法学、研究。张静静：方法学、研究。卢世奇：方法学、研究。建华：方法学、研究。严晓军：撰写 – 审稿与编辑、资源整理。黄建梅：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、监督、资源获取、资金申请

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：黄建梅报告获得了北京Nova计划的财务支持。黄建梅报告获得了国家自然科学基金的财务支持。黄建梅报告获得了中央高校基本研究基金的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知

致谢

本工作得到了北京Nova计划（授权号20240484535）、国家自然科学基金（授权号52271198）和中央高校基本研究基金（授权号501LKOB2020104011）的支持。作者感谢北京航空航天大学分析与测试中心的设施和科学和技术协助。