碘化锗添加显著提高纯无机钙钛矿材料CsPbI2Br的立方晶相在高湿度空气环境下的稳定性

钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增至23.3%，已经可以与单晶硅太阳能电池（23.4%）相媲美，且组装工艺简单、成本低，有望成为已经工业化的硅基太阳能电池的最佳替补。然而，目前已报道的高效率钙钛矿电池均含有非常容易受温度、湿度和紫外光影响的有机基团（如甲铵盐MA⁺、甲脒盐FA⁺），限制了其应用发展。将钙钛矿中的有机部分替换成无机元素制备纯无机的钙钛矿是一种解决以上问题的有效策略。纯无机钙钛矿CsPbX₃（CsPbI₃, CsPbI₂Br, CsPbIBr₂, CsPbBr₃）具有良好的热稳定性和光电性能，是一类具有发展潜力的纯无机钙钛矿材料。其中，CsPbI₂Br拥有比CsPbBr₃相对窄的能带（1.90 eV）和比CsPbI₃ 相对高的晶相稳定性。然而，在不受控制的空气环境中，CsPbI₂Br钙钛矿薄膜的相变仍然很容易发生。研究表明，空气中的湿度是影响纯无机钙钛矿相稳定性的主要原因。尽管目前有很多如何提高CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池光电转换效率的研究报道，如何提高CsPbI₂Br钙钛矿材料在高湿度空气环境下相稳定性的研究却很少提及。

日本九州工业大学的早濑修二（Shuzi Hayase）教授和日本电气通信大学的沈青教授研究团队最近在Angewandte Chemie International Edition 首次报道了通过碘化锗（GeI₂）添加显著提高CsPbI₂Br钙钛矿材料在高湿度空气环境下立方相的稳定性。文章的第一作者是九州工业大学的杨甫博士。

实验全程在50-60%高湿度空气环境下进行。在配置钙钛矿前驱体溶液时，他们将部分PbI₂置换为GeI₂，通过通用的“反溶剂一步旋涂”方法来制备新的纯无机钙钛矿CsPb_1-xGe_xI₂Br薄膜。结果发现，在拥有锗的钙钛矿薄膜里，其立方晶相在空气中的稳定性显著提高，对应的平板型钙钛矿太阳能电池能在50-60%的高湿度空气中达到10.8%的稳定输出效率。另外，基于CsPb_0.7Ge_0.3I₂Br的钙钛矿电池开路电压高达1.34 V，在CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池中是一个突出的纪录。分析表明，GeI₂的添加通过诱导晶格应变提高了纯无机钙钛矿的相稳定性。此外，部分Ge²⁺在空气中氧化为Ge⁴⁺，在钙钛矿表面钝化，从而提高钙钛矿薄膜的相稳定性。这一方法对于提高其它钙钛矿器件的稳定性和性能也具有借鉴意义，在制备串联（tandem）太阳能电池方面也具有很大的应用潜力。

该论文作者为：Fu Yang, Daisuke Hirotani, Gaurav Kapil, Muhammad Akmal Kamarudin, Chi Huey Ng, Yaohong Zhang, Qing Shen, and Shuzi Hayase

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All‐Inorganic CsPb_1−xGe_xI₂Br Perovskite with Enhanced Phase Stability and Photovoltaic Performance

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201807270