水分辅助对无机钙钛矿CsPbI3薄膜结晶的影响

doi:10.7503/cjcu20210228

摘要/Abstract

摘要：

利用水分辅助晶粒溶解重结晶策略提高全无机铯铅碘钙钛矿(CsPbI₃)薄膜的质量, 探究了退火过程中不同湿度条件对薄膜结晶质量的影响, 并从形貌结构、缺陷复合以及光伏性能等方面进行了研究. 结果表明, 相比于相对湿度(RH)为0%组CsPbI₃薄膜明显的晶界空隙, 适当的湿度退火有助于晶粒间更致密地结合, 晶界的减少进而可抑制载流子非辐射复合; 湿度过大则会形成较粗糙的表面形貌, 影响界面接触. 实验结果表明, 7%RH下CsPbI₃薄膜中缺陷明显减少, 非辐射复合得到抑制, 载流子寿命增加; 光伏性能测试结果显示, 开路电压(V_oc)和填充因子(FF)显著增大, 并获得了15.28%的光电转换效率(PCE).

关键词: 全无机铯铅碘钙钛矿薄膜, 水分辅助, 退火结晶

Abstract:

Moisture-assisted recrystallization strategy was used to improve the quality of CsPbI₃ film， and the influence of different relative humidity（RH） on the crystallization was investigated by studying the morphology， trap-induced recombination， and photovoltaic performance. The results showed that different from the CsPbI₃ films annealed at 0%RH with obvious grain boundaries， the ones at appropriate humidity show more compact binding between grains， which suppresses the nonradiative recombination. However， excessive humidity causes rougher surface which will affect the interface contact. By comparison， CsPbI₃ films annealed at 7%RH have significantly reduced trap density， increased carrier lifetime， and restrained nonradiative recombination. The photovoltaic performance test shows that the open circuit voltage（V_oc） and fill factor（FF） increase a lot and an efficiency of 15.28% is obtained.

Key words: CsPbI₃ film, Moisture-assist, Annealed crystallization

中图分类号:

O649.4

TrendMD:

李艳艳, 段林瑞, 罗景山. 水分辅助对无机钙钛矿CsPbI₃薄膜结晶的影响. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1785.

LI Yanyan, DUAN Linrui, LUO Jingshan. Moisture-assisted Crystallization of Inorganic Perovskite CsPbI₃ Film. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1785.

图/表 11

Fig.1 SEM images of CsPbI3 films annealed at different RHTOP view， RH: (A) 0, (B) 7%, (C) 14%, (D) 20%; cross section, RH: (E) 0, (F) 7%, (G) 14%, (H) 20%.

Fig.2 AFM images of CsPbI3 films annealed at different RH(A) RH=0%, RMS = 41.0 nm; (B) RH=7%, RMS=17.9 nm; (C) RH=14%, RMS=35.7 nm; (D) RH=20%, RMS=38.5 nm.

Fig.3 XRD patterns(A) and Tauc plots(B) of CsPbI3 films annealed at different RH

Fig.4 CsPbI3 grains formed by annealing without moisture(A), at proper RH(C), and high RH(E), the role of moisture at proper RH(B) and high RH(D)

Fig.5 PL(A) and TRPL spectra(B), SCLC curves(C)and the dependence curves of Voc and illumination intensity(I)(D) of CsPbI3 films annealed at different RH(C) The inset shows the device structure.

Table 1 TRPL parameters of CsPbI3 films annealed at different RH

RH(%)	τ₁/ns	A₁(%)	τ₂/ns	A₂(%)	τ_ave/ns
0	1.46	3.76	7.72	96.24	7.48
7	3.39	1.62	17.93	98.38	17.69
14	3.33	6.13	15.05	93.87	14.33
20	2.22	6.19	9.96	93.81	9.48

Table 2 SCLC parameters of CsPbI3 films annealed at different RH

RH(%)	V_TFL/V	ε	L/nm	10^-16n_t/cm^-3
0	2.29	6.32	278	2.07
7	1.56	6.32	278	1.41
14	1.72	6.32	278	1.55
20	1.77	6.32	278	1.60

Fig.6 J?V curves(A), EQE and integrated Jsc curves(B) and the performance distribution(C) of CsPbI3 solar cells annealed at different RH

Table 3 Photovoltaic parameters of CsPbI3 films annealed at different RH

RH(%)	J_sc/(mA·cm^-2)	V_oc/V	FF(%)	PCE(%)
0	15.86	0.70	52.19	5.81
7	17.80	1.08	79.47	15.28
14	17.69	1.04	78.57	14.42
20	17.33	1.04	72.92	13.16

Fig.7 J?V curves of CsPbI3-xBrx(A) and the PCE distribution of CsPbI2.25Br0.75 solar cells annealed with or W/O moisture(B)

Table 4 Photovoltaic parameters of CsPbI3-xBrx devices annealed with moisture

Device	J_sc/(mA·cm^-2)	V_oc/V	FF(%)	PCE(%)
CsPbI_2.25Br_0.75	15.68	1.22	78.19	15.05
CsPbI_2.5Br_0.5	16.44	1.20	75.68	15.04
CsPbI_2.85Br_0.15	17.53	1.13	71.91	15.30

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水分辅助对无机钙钛矿CsPbI₃薄膜结晶的影响

Moisture-assisted Crystallization of Inorganic Perovskite CsPbI₃ Film

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