Inkjet-Printing Controlled Phase Evolution Boosts the Efficiency of Hole Transport Material Free and Carbon-Based CsPbBr3 Perovskite Solar Cells Exceeding 9%

Lihua Zhang, Shi Chen, Jie Zeng, Zhengyan Jiang, Qian Ai, Xianfu Zhang, Bihua Hu, Xingzhu Wang, Shihe Yang, Baomin Xu

PDF
Energy & Environmental Materials ›› 2024, Vol. 7 ›› Issue (2) : 12543. DOI: 10.1002/eem2.12543
RESEARCH ARTICLE

Inkjet-Printing Controlled Phase Evolution Boosts the Efficiency of Hole Transport Material Free and Carbon-Based CsPbBr3 Perovskite Solar Cells Exceeding 9%

Author information +
History +

Abstract

Hole transport material free carbon-based all-inorganic CsPbBr3 perovskite solar cells (PSCs) are promising for commercialization due to its low-cost, high open-circuit voltage (Voc) and superior stability. Due to the different solubility of PbBr2 and CsBr in conventional solvents, CsPbBr3 films are mainly obtained by multi-step spin-coating through the phase evolution from PbBr2 to CsPb2Br5 and then to CsPbBr3. The scalable fabrication of high-quality CsPbBr3 films has been rarely studied. Herein, an inkjet-printing method is developed to prepare high-quality CsPbBr3 films. The formation of long-range crystalline CsPb2Br5 phase can effectively improve phase purity and promote regular crystal stacking of CsPbBr3. Consequently, the inkjet-printed CsPbBr3 C-PSCs realized PCEs up to 9.09%, 8.59% and 7.81% with active areas of 0.09, 0.25, and 1 cm2, respectively, demonstrating the upscaling potential of our fabrication method and devices. This high performance is mainly ascribed to the high purity, strong crystal orientation, reduced surface roughness and lower trap states density of the as-printed CsPbBr3 films. This work provides insights into the relationship between the phase evolution mechanisms and crystal growth dynamics of cesium lead bromide halide films.

Keywords

all-inorganic perovskite solar cells / CsPbBr3 / inkjet-printing / phase evolution

Cite this article

Download citation ▾
Lihua Zhang, Shi Chen, Jie Zeng, Zhengyan Jiang, Qian Ai, Xianfu Zhang, Bihua Hu, Xingzhu Wang, Shihe Yang, Baomin Xu. Inkjet-Printing Controlled Phase Evolution Boosts the Efficiency of Hole Transport Material Free and Carbon-Based CsPbBr3 Perovskite Solar Cells Exceeding 9%. Energy & Environmental Materials, 2024, 7(2): 12543 https://doi.org/10.1002/eem2.12543

References

[1]
S. D. Stranks , G. E. Eperon , G. Grancini , C. Menelaou , M. J. P. Alcocer , T. Leijtens , L. M. Herz , A. Petrozza , H. J. Snaith , Science 2013, 342, 341.
[2]
L. M. Herz , ACS Energy Lett. 2017, 2, 1539.
[3]
J. S. Manser , J. A. Christians , P. V. Kamat , Chem. Rev. 2016, 116, 12956.
[4]
K. Galkowski , A. Mitioglu , A. Miyata , P. Plochocka , O. Portugall , G. E. Eperon , J. T.-W. Wang , T. Stergiopoulos , S. D. Stranks , H. J. Snaith , R. J. Nicholas , Energy Environ. Sci. 2016, 9, 962.
[5]
N. Rolston , W. J. Scheideler , A. C. Flick , J. P. Chen , H. Elmaraghi , A. Sleugh , O. Zhao , M. Woodhouse , R. H. Dauskardt , Joule 2020, 4, 2675.
[6]
A. Kojima , K. Teshima , Y. Shirai , T. Miyasaka , J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050.
[7]
NREL Best Research Cell Efficiencies , https://www.nrel.gov/pv/cellefficiency.html (accessed: May 1, 2022).
[8]
B.-W. Park , S. I. Seok , Adv. Mater. 2019, 31, 1805337.
[9]
Y. Zhou , Y. Zhao , Energy Environ. Sci. 2019, 12, 1495.
[10]
Q. Tai , P. You , H. Sang , Z. Liu , C. Hu , H. L. W. Chan , F. Yan , Nat. Commun. 2016, 7, 11105.
[11]
H. Chen , X. Zheng , Q. Li , Y. Yang , S. Xiao , C. Hu , Y. Bai , T. Zhang , K. S. Wong , S. Yang , J. Mater. Chem. A 2016, 4, 12897.
[12]
X. Zheng , Z. Wei , H. Chen , Q. Zhang , H. He , S. Xiao , Z. Fan , K. S. Wong , S. Yang , Nanoscale 2016, 8, 6393.
[13]
Y. Yang , Z. Liu , W. K. Ng , L. Zhang , H. Zhang , X. Meng , Y. Bai , S. Xiao , T. Zhang , C. Hu , K. S. Wong , S. Yang , Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806506.
[14]
J. Liang , C. Wang , Y. Wang , Z. Xu , Z. Lu , Y. Ma , H. Zhu , Y. Hu , C. Xiao , X. Yi , G. Zhu , H. Lv , L. Ma , T. Chen , Z. Tie , Z. Jin , J. Liu , J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15829.
[15]
A. Mei , X. Li , L. Liu , Z. Ku , T. Liu , Y. Rong , M. Xu , M. Hu , J. Chen , Y. Yang , M. Grätzel , H. Han , Science 2014, 345, 295.
[16]
J. Duan , Y. Zhao , B. He , Q. Tang , Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3787.
[17]
X. Y. Liu , X. H. Tan , Z. Y. Liu , H. B. Ye , B. Sun , T. L. Shi , Z. R. Tang , G. L. Liao , Nano Energy 2019, 56, 184.
[18]
W. Chen , J. Zhang , G. Xu , R. Xue , Y. Li , Y. Zhou , J. Hou , Y. Li , Adv. Mater. 2018, 30, 1800855.
[19]
V. M. Goldschmidt , Naturwissenschaften 1926, 14, 477.
[20]
W. Chen , X. Li , Y. Li , Y. Li , Energy Environ. Sci. 2020, 13, 1971.
[21]
J. Deng , J. Li , Z. Yang , M. Wang , J. Mater. Chem. C 2019, 7, 12415.
[22]
Q. Tai , K.-C. Tang , F. Yan , Energy Environ. Sci. 2019, 12, 2375.
[23]
G. R. Yettapu , D. Talukdar , S. Sarkar , A. Swarnkar , A. Nag , P. Ghosh , P. Mandal , Nano Lett. 2016, 16, 4838.
[24]
J. Song , Q. Cui , J. Li , J. Xu , Y. Wang , L. Xu , J. Xue , Y. Dong , T. Tian , H. Sun , H. Zeng , Adv Opt Mater. 2017, 5, 1700157.
[25]
M. Kulbak , D. Cahen , G. Hodes , J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2452.
[26]
Y. Zhao , J. Duan , Y. Wang , X. Yang , Q. Tang , Nano Energy 2020, 67, 104286.
[27]
X. Wan , Z. Yu , W. Tian , F. Huang , S. Jin , X. Yang , Y.-B. Cheng , A. Hagfeldt , L. Sun , J. Energy Chem. 2020, 46, 8.
[28]
Q. Meng , J. Feng , H. Huang , X. Han , Z. Zhu , T. Yu , Z. Li , Z. Zou , Adv. Eng. Mater. 2020, 22, 2000162.
[29]
J. Duan , Y. Zhao , X. Yang , Y. Wang , B. He , Q. Tang , Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1802346.
[30]
H. Li , G. Tong , T. Chen , H. Zhu , G. Li , Y. Chang , L. Wang , Y. Jiang , J. Mater. Chem. A 2018, 6, 14255.
[31]
J. B. Hoffman , G. Zaiats , I. Wappes , P. V. Kamat , Chem. Mater. 2017, 29, 9767.
[32]
X. Cao , G. Zhang , L. Jiang , Y. Cai , Y. Gao , W. Yang , X. He , Q. Zeng , G. Xing , Y. Jia , J. Wei , ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 5925.
[33]
Q. Zhou , J. Duan , J. Du , Q. Guo , Q. Zhang , X. Yang , Y. Duan , Q. Tang , Adv. Sci. 2021, 8, 2101418.
[34]
Q. Zhou , J. Duan , X. Yang , Y. Duan , Q. Tang , Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21997.
[35]
X. Wu , B. Li , Z. Zhu , C.-C. Chueh , A. K. Y. Jen , Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 13090.
[36]
I. A. Howard , T. Abzieher , I. M. Hossain , H. Eggers , F. Schackmar , S. Ternes , B. S. Richards , U. Lemmer , U. W. Paetzold , Adv. Mater. 2019, 31, 1806702.
[37]
I. Poli , J. Baker , J. McGettrick , F. De Rossi , S. Eslava , T. Watson , P. J. Cameron , J. Mater. Chem. A 2018, 6, 18677.
[38]
Z. Zhang , Y. Ba , D. Chen , J. Ma , W. Zhu , H. Xi , D. Chen , J. Zhang , C. Zhang , Y. Hao , iScience 2021, 24, 103365.
[39]
S. K. Karunakaran , G. M. Arumugam , W. Yang , S. Ge , S. N. Khan , X. Lin , G. Yang , J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13873.
[40]
H. Eggers , F. Schackmar , T. Abzieher , Q. Sun , U. Lemmer , Y. Vaynzof , B. S. Richards , G. Hernandez-Sosa , U. W. Paetzold , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903184.
[41]
P. Perkhun , W. Köntges , F. Pourcin , D. Esteoulle , E. Barulina , N. Yoshi-moto , P. Pierron , O. Margeat , C. Videlot-Ackermann , A. K. Bharwal , D. Duché , C. R. Herrero , C. Gonzales , A. Guerrero , J. Bisquert , R. R. Schröder , M. Pfannmöller , S. Ben Dkhil , J.-J. Simon , J. Ackermann , Adv. Energy Sustain. Res. 2021, 2, 2000086.
[42]
C. Feng , X. Zheng , R. Xu , Y. Zhou , H. Hu , T. Guo , J. Ding , L. Ying , F. Li , Org. Electron. 2020, 85, 105822.
[43]
L. Zhang , S. Chen , X. Wang , D. Wang , Y. Li , Q. Ai , X. Sun , J. Chen , Y. Li , X. Jiang , S. Yang , B. Xu , Solar RRL 2021, 5, 2100106.
[44]
S. Chen , L. Zhang , L. Yan , X. Xiang , X. Zhao , S. Yang , B. Xu , Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905487.
[45]
T. Zhang , Z. Chen , Y. Shi , Q.-H. Xu , Nanoscale 2019, 11, 3186.
[46]
S. Ullah , J. Wang , P. Yang , L. Liu , S.-E. Yang , T. Xia , H. Guo , Y. Chen , Mater. Adv. 2021, 2, 646.
[47]
J. Yin , H. Yang , K. Song , A. M. El-Zohry , Y. Han , O. M. Bakr , J.-L. Brédas , O. F. Mohammed , J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 5490.
[48]
I. Dursun , M. De Bastiani , B. Turedi , B. Alamer , A. Shkurenko , J. Yin , A. M. El-Zohry , I. Gereige , A. AlSaggaf , O. F. Mohammed , M. Eddaoudi , O. M. Bakr , ChemSusChem 2017, 10, 3746.
[49]
X. Zhang , Z. Jin , J. Zhang , D. Bai , H. Bian , K. Wang , J. Sun , Q. Wang , S. F. Liu , ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 7145.
[50]
W. Shockley , H. J. Queisser , J. Appl. Phys. 1961, 32, 510.
[51]
Y. Jiang , E. J. Juarez-Perez , Q. Ge , S. Wang , M. R. Leyden , L. K. Ono , S. R. Raga , J. Hu , Y. Qi , Mater. Horiz. 2016, 3, 548.
[52]
R. Fan , Y. Huang , L. Wang , L. Li , G. Zheng , H. Zhou , Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600460.
[53]
J. M. Liu , L. Q. Zhu , S. S. Xiang , Y. Wei , M. L. Xie , H. C. Liu , W. P. Li , H. N. Chen , Sustain. Energ Fuels 2019, 3, 184.
[54]
G. Tong , L. K. Ono , Y. Qi , Energy Technol. 2020, 8, 1900961.
[55]
M. T. Klug , A. Osherov , A. A. Haghighirad , S. D. Stranks , P. R. Brown , S. Bai , J. T. W. Wang , X. Dang , V. Bulović , H. J. Snaith , A. M. Belcher , Energy Environ. Sci. 2017, 10, 236.
[56]
L. F. Vassamillet , H. W. King , Adv. X-ray Anal. 1962, 6, 142.
[57]
W. L. Bond , Acta Crystallogr. 1960, 13, 814.
[58]
T. J. Whitcher , L. C. Gomes , D. Zhao , M. Bosman , X. Chi , Y. Wang , A. Carvalho , H. K. Hui , Q. Chang , M. B. H. Breese , A. H. Castro Neto , A. T. S. Wee , H. D. Sun , E. E. M. Chia , A. Rusydi , NPG Asia Mater. 2019, 11, 70.
[59]
F. De Matteis , F. Vitale , S. Privitera , E. Ciotta , R. Pizzoferrato , A. Generosi , B. Paci , L. Di Mario , J. S. Pelli Cresi , F. Martelli , P. Prosposito , Crystals 2019, 9, 280.
[60]
X. Chen , F. Zhang , Y. Ge , L. Shi , S. Huang , J. Tang , Z. Lv , L. Zhang , B. Zou , H. Zhong , Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1706567.
[61]
W. Zhang , X. Liu , B. He , Z. Gong , J. Zhu , Y. Ding , H. Chen , Q. Tang , ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 4540.
[62]
X. Tang , W. Chen , D. Wu , A. Gao , G. Li , J. Sun , K. Yi , Z. Wang , G. Pang , H. Yang , R. Guo , H. Liu , H. Zhong , M. Huang , R. Chen , P. Müller-Buschbaum , X. W. Sun , K. Wang , Adv. Sci. 2020, 7, 1902767.
[63]
R. Wang , J. Xue , L. Meng , J.-W. Lee , Z. Zhao , P. Sun , L. Cai , T. Huang , Z. Wang , Z.-K. Wang , Y. Duan , J. L. Yang , S. Tan , Y. Yuan , Y. Huang , Y. Yang , Joule 2019, 3, 1464.
[64]
Y. Li , J. Shi , J. Zheng , J. Bing , J. Yuan , Y. Cho , S. Tang , M. Zhang , Y. Yao , C. F. J. Lau , D. S. Lee , C. Liao , M. A. Green , S. Huang , W. Ma , A. W. Y. Ho-Baillie , Adv. Sci. 2020, 7, 1903368.
[65]
G. Zheng , C. Zhu , J. Ma , X. Zhang , G. Tang , R. Li , Y. Chen , L. Li , J. Hu , J. Hong , Q. Chen , X. Gao , H. Zhou , Nat. Commun. 2018, 9, 2793.
[66]
M. Qin , P. F. Chan , X. Lu , Adv. Mater. 2021, 33, 2105290.
[67]
S. Wan , M. Ou , Q. Zhong , X. Wang , Chem. Eng. J. 2019, 358, 1287.
[68]
V. K. Ravi , P. K. Santra , N. Joshi , J. Chugh , S. K. Singh , H. Rensmo , P. Ghosh , A. Nag , J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 4988.
[69]
Y. Li , W. Shao , L. Chen , J. Wang , J. Nie , H. Zhang , S. Zhang , R. Gao , X. Ouyang , X. Ouyang , Q. Xu , NPG Asia Mater. 2021, 13, 40.
[70]
H. Wang , X. Zhang , Q. Wu , F. Cao , D. Yang , Y. Shang , Z. Ning , W. Zhang , W. Zheng , Y. Yan , S. V. Kershaw , L. Zhang , A. L. Rogach , X. Yang , Nat. Commun. 2019, 10, 665.
[71]
J. K. Nam , S. U. Chai , W. Cha , Y. J. Choi , W. Kim , M. S. Jung , J. Kwon , D. Kim , J. H. Park , Nano Lett. 2017, 17, 2028.
[72]
J. Xu , W. Huang , P. Li , D. R. Onken , C. Dun , Y. Guo , K. B. Ucer , C. Lu , H. Wang , S. M. Geyer , R. T. Williams , D. L. Carroll , Adv. Mater. 2017, 29, 1703703.
[73]
L. Bo , L. Zhen , W. Xin , Z. Zonglong , Nano Res. Energy 2022, 1, e9120011.
[74]
W. Pan , B. Yang , G. Niu , K. H. Xue , X. Du , L. Yin , M. Zhang , H. Wu , X. S. Miao , J. Tang , Adv. Mater. 2019, 31, e1904405.
[75]
H. Wang , Y. Wu , M. Ma , S. Dong , Q. Li , J. Du , H. Zhang , Q. Xu , ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 2305.
[76]
Y. Yao , P. Hang , P. Wang , L. Xu , C. Cui , J. Xie , K. Xiao , G. Li , P. Lin , S. Liu , D. Xie , S. Che , D. Yang , X. Yu , Nanotechnology 2019, 31, 085401.
[77]
W. Zhu , M. Deng , Z. Zhang , D. Chen , H. Xi , J. Chang , J. Zhang , C. Zhang , Y. Hao , ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11, 22543.
[78]
X.-X. Feng , X.-D. Lv , Q. Liang , J. Cao , Y. Tang , ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 16236.
[79]
Z. Li , B. Li , X. Wu , S. A. Sheppard , S. Zhang , D. Gao , N. J. Long , Z. Zhu , Science 2022, 376, 416.
[80]
D. Zhao , M. Sexton , H.-Y. Park , G. Baure , J. C. Nino , F. So , Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401855.
[81]
W. Shockley , W. T. Read , Phys. Rev. 1952, 87, 835.
[82]
V. Adinolfi , M. Yuan , R. Comin , E. S. Thibau , D. Shi , M. I. Saidaminov , P. Kanjanaboos , D. Kopilovic , S. Hoogland , Z.-H. Lu , O. M. Bakr , E. H. Sargent , Adv. Mater. 2016, 28, 3406.
[83]
N. K. Tailor , A. Mahapatra , A. Kalam , M. Pandey , P. Yadav , S. Satapathi , Phys. Rev. Mater. 2022, 6, 045401.
[84]
M. I. Saidaminov , M. A. Haque , J. Almutlaq , S. Sarmah , X.-H. Miao , R. Begum , A. A. Zhumekenov , I. Dursun , N. Cho , B. Murali , O. F. Mohammed , T. Wu , O. M. Bakr , Adv. Opt. Mater. 2017, 5, 1600704.
[85]
W. Xiang , S. Liu , W. Tress , Energy Environ. Sci. 2021, 14, 2090.
[86]
L. Meng , J. You , Y. Yang , Nat. Commun. 2018, 9, 5265.

RIGHTS & PERMISSIONS

2022 2022 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.
PDF

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/