Amorphous BaTiO₃ Electron Transport Layer for Thermal Equilibrium-Governed γ-CsPbI₃ Perovskite Solar Cell with High Power Conversion Efficiency of 19.96%

Abstract

Compared to organic–inorganic hybrid perovskites, the cesium-based all-inorganic lead halide perovskite (CsPbI₃) is a promising light absorber for perovskite solar cells owing to its higher resistance to thermal stress. Nonetheless, additional research is required to reduce the nonradiative recombination to realize the full potential of CsPbI₃. Here, the diffusion of Cs ions participating in ion exchange is proposed to be an important factor responsible for the bulk defects in γ-CsPbI₃ perovskite. Calculations based on first-principles density functional theory reveal that the [PbI₆]⁴⁻ octahedral tilt modifies the perovskite crystallographic properties in γ-CsPbI₃, leading to alterations in its bandgap and crystal strain. In addition, by substituting amorphous barium titanium oxide (a-BaTiO₃) for TiO₂ as the electron transport layer, interfacial defects caused by imperfect energy levels between the electron transport layer and perovskite are reduced. High-resolution transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy demonstrate that a-BaTiO₃ forms entirely as a single phase, as opposed to Ba-doped TiO₂ hybrid nanoclusters or separate domains of TiO₂ and BaTiO₃ phases. Accordingly, inorganic perovskite solar cells based on the a-BaTiO₃ electron transport layer achieved a power conversion efficiency of 19.96%.

Keywords

amorphous BaTiO₃ / electron transport layer / moisture / γ-CsPbI₃

References

[1] A. Kojima , K. Teshima , Y. Shirai , T. Miyasaka , J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050.

[2] A. K. Jena , A. Kulkarni , T. Miyasaka , Chem. Rev. 2019, 119, 3036.

[3] H. Min , D. Y. Lee , J. Kim , G. Kim , K. S. Lee , J. Kim , M. J. Paik , Y. K. Kim , K. S. Kim , M. G. Kim , T. J. Shin , S. Il Seok , Nature 2021, 598, 444.

[4] S. W. Lee , S. Kim , S. Bae , K. Cho , T. Chung , L. E. Mundt , S. Lee , S. Park , H. Park , M. C. Schubert , S. W. Glunz , Y. Ko , Y. Jun , Y. Kang , H. S. Lee , D. Kim , Sci. Rep. 2016, 6, 38150.

[5] K. Wang , Z. Jin , L. Liang , H. Bian , D. Bai , H. Wang , J. Zhang , Q. Wang , S. Liu , Nat. Commun. 2018, 9, 4544.

[6] F. Ke , C. Wang , C. Jia , N. R. Wolf , J. Yan , S. Niu , T. P. Devereaux , H. I. Karunadasa , W. L. Mao , Y. Lin , Nat. Commun. 2021, 12, 461.

[7] A. Marronnier , G. Roma , S. Boyer-Richard , L. Pedesseau , J. M. Jancu , Y. Bonnassieux , C. Katan , C. C. Stoumpos , M. G. Kanatzidis , J. Even , ACS Nano 2018, 12, 3477.

[8] R. J. Sutton , M. R. Filip , A. A. Haghighirad , N. Sakai , B. Wenger , F. Giustino , H. J. Snaith , ACS Energy Lett. 2018, 3, 1787.

[9] P. Wang , X. Zhang , Y. Zhou , Q. Jiang , Q. Ye , Z. Chu , X. Li , X. Yang , Z. Yin , J. You , Nat. Commun. 2018, 9, 2225.

[10] Y. Wang , G. Chen , D. Ouyang , X. He , C. Li , R. Ma , W. J. Yin , W. C. H. Choy , Adv. Mater. 2020, 32, e2000186.

[11] X. Liu , X. Wang , T. Zhang , Y. Miao , Z. Qin , Y. Chen , Y. Zhao , Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 12351.

[12] Y. Du , Q. Tian , X. Chang , J. Fang , X. Gu , X. He , X. Ren , K. Zhao , S. F. Liu , Adv. Mater. 2022, 34, e2106750.

[13] W. Ke , I. Spanopoulos , C. C. Stoumpos , M. G. Kanatzidis , Nat. Commun. 2018, 9, 4785.

[14] F. Wang , H. Yu , H. Xu , N. Zhao , Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1120.

[15] H. Bian , H. Wang , Z. Li , F. Zhou , Y. Xu , H. Zhang , Q. Wang , L. Ding , S. F. Liu , Z. Jin , Adv. Sci. 2020, 7, 1902868.

[16] Y. Wang , X. Liu , T. Zhang , X. Wang , M. Kan , J. Shi , Y. Zhao , Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16691.

[17] Y. Wang , M. I. Dar , L. K. Ono , T. Zhang , M. Kan , Y. Li , L. Zhang , X. Wang , Y. Yang , X. Gao , Y. Qi , M. Grätzel , Y. Zhao , Science 2019, 365, 591.

[18] J. Zhang , Y. Fang , W. Zhao , R. Han , J. Wen , S. F. Liu , Adv. Mater. 2021, 33, e2103770.

[19] S. M. Yoon , H. Min , J. B. Kim , G. Kim , K. S. Lee , S. I. Seok , Joule 2021, 5, 183.

[20] X. Wang , Y. Wang , Y. Chen , X. Liu , Y. Zhao , Adv. Mater. 2021, 33, e2103688.

[21] X. Gu , W. Xiang , Q. Tian , S. F. Liu , Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23164.

[22] J. Yuan , X. Ling , D. Yang , F. Li , S. Zhou , J. Shi , Y. Qian , J. Hu , Y. Sun , Y. Yang , X. Gao , S. Duhm , Q. Zhang , W. Ma , Joule 2018, 2, 2450.

[23] T. Liu , J. Zhang , M. Qin , X. Wu , F. Li , X. Lu , Z. Zhu , A. K. Y. Jen , Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009515.

[24] S. Kim , Y. J. Yun , T. Kim , C. Lee , Y. Ko , Y. Jun , Chem. Mater. 2021, 33, 8194.

[25] Y. Ko , H. Park , C. Lee , Y. Kang , Y. Jun , Adv. Mater. 2020, 32, e2002196.

[26] Y. Ko , T. Kim , C. Lee , C. Lee , Y. J. Yun , Y. Jun , Energy Environ. Mater. 2023, 6, e12347.

[27] Q. Ye , Y. Zhao , S. Mu , F. Ma , F. Gao , Z. Chu , Z. Yin , P. Gao , X. Zhang , J. You , Adv. Mater. 2019, 31, e1905143.

[28] X. Chang , J. Fang , Y. Fan , T. Luo , H. Su , Y. Zhang , J. Lu , L. Tsetseris , T. D. Anthopoulos , S. F. Liu , K. Zhao , Adv. Mater. 2020, 32, e2001243.

[29] S. Tan , J. Shi , B. Yu , W. Zhao , Y. Li , Y. Li , H. Wu , Y. Luo , D. Li , Q. Meng , Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010813.

[30] K. Wang , Q. Tian , G. Zhao , J. Wen , J. Huang , C. Gao , Z. Xu , Y. Liu , L. Liang , L. Meng , L. Zhang , Z. Liu , Z. Jin , S. Olthof , S. Liu , Cell Rep. Phys. Sci. 2020, 1, 100180.

[31] T. Liu , J. Zhang , X. Wu , H. Liu , F. Li , X. Deng , F. Lin , X. Li , Z. Zhu , A. K. Y. Jen , Solar RRL 2020, 4, 2000205.

[32] W. Ren , Y. Liu , Y. Wu , Q. Sun , Y. Cui , Y. Hao , Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 23818.

[33] Y. T. Prabhu , K. V. Rao , V. S. S. Kumar , B. S. Kumari , World J. Nano Sci. Eng. 2014, 4, 21.

[34] Y. Xue , J. Tian , H. Wang , H. Xie , S. Zhu , B. Zheng , C. Gao , X. Liu , RSC Adv. 2018, 8, 25645.

[35] C. Y. Chen , C. W. Hun , S.-F. Chen , C. C. Chen , J. S. Lin , S. S. Johnson , N. Noel , N. Juliely , Z. Luo , Rev. Nanosci. Nanotechnol. 2015, 4, 26.

[36] G. E. Eperon , K. H. Stone , L. E. Mundt , T. H. Schloemer , S. N. Habisreutinger , S. P. Dunfield , L. T. Schelhas , J. J. Berry , D. T. Moore , ACS Energy Lett. 2020, 5, 1856.

[37] B. Zhao , S. F. Jin , S. Huang , N. Liu , J. Y. Ma , D. J. Xue , Q. Han , J. Ding , Q. Q. Ge , Y. Feng , J. S. Hu , J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11716.

[38] S. J. Clark , M. D. Segall , C. J. Pickard , P. J. Hasnip , M. I. J. Probert , K. Refson , M. C. Payne , Z. Kristallogr. 2005, 220, 567.

[39] M. A. Fadla , B. Bentria , T. Dahame , A. Benghia , Physica B Condens. Matter. 2020, 585, 412118.

[40] Z. Wu , M. Jiang , Z. Liu , A. Jamshaid , L. K. Ono , Y. Qi , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903696.

[41] Y. Ko , C. Lee , Y. Kim , Y. Kim , Y. J. Yun , Y. Jun , J. Mater. Chem. A 2018, 6, 20695.

[42] A. Sillen , Y. Engelborghs , Photochem. Photobiol. 1998, 5, 475.

[43] S. S. Shin , E. J. Yeom , W. S. Yang , S. Hur , M. G. Kim , J. Im , J. Seo , J. H. Noh , S. I. Seok , Science 2017, 356, 167.

[44] E. Stoyanov , F. Langenhorst , G. Steinle-Neumann , Am. Mineral. 2007, 92, 577.

[45] I. Abdallah , C. Dupressoire , L. Laffont , D. Monceau , A. Vande Put , Corrosion Sci. 2019, 153, 191.

[46] Y. Li , Y. Yang , X. Shu , D. Wan , N. Wei , X. Yu , M. B. H. Breese , T. Venkatesan , J. M. Xue , Y. Liu , S. Li , T. Wu , J. Chen , Chem. Mater. 2018, 30, 4383.

[47] K. Vijayalakshmi , D. Sivaraj , RSC Adv. 2016, 6, 9663.

[48] S. Nayak , B. Sahoo , T. K. Chaki , D. Khastgir , RSC Adv. 2014, 4, 1212.

[49] M. P. Deshmukh , R. A. Kumar , J. Nagaraju , Rev. Sci. Instrum. 2004, 75, 2732.

[50] Y. Ko , Y. Kim , C. Lee , T. Kim , S. Kim , Y. J. Yun , H. J. Gwon , N. H. Lee , Y. Jun , ChemSusChem 2020, 13, 4051.

[51] Y. Ko , Y. Kim , C. Lee , Y. Kim , B. K. Min , H.-J. Gwon , Y. J. Yun , Y. Jun , ACS Appl. Energy Mater. 2019, 3, 2331.

[52] S. Ryu , D. C. Nguyen , N. Y. Ha , H. J. Park , Y. H. Ahn , J. Y. Park , S. Lee , Sci. Rep. 2019, 9, 19846.

[53] H. Wang , A. Guerrero , A. Bou , A. M. Al-Mayouf , J. Bisquert , Energy Environ. Sci. 2019, 12, 2054.

[54] O. Almora , C. Aranda , E. Mas-Marzá , G. Garcia-Belmonte , Appl. Phys. Lett. 2016, 109, 173903.

RIGHTS & PERMISSIONS

2023 2023 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.