High-Quality van der Waals Epitaxial CsPbBr₃ Film Grown on Monolayer Graphene Covered TiO₂ for High-Performance Solar Cells

Abstract

Two-dimensional materials have been widely used to tune the growth and energy-level alignment of perovskites. However, their incomplete passivation and chaotic usage amounts are not conducive to the preparation of high-quality perovskite films. Herein, we succeeded in obtaining higher-quality CsPbBr₃ films by introducing large-area monolayer graphene as a stable physical overlay on top of TiO₂ substrates. Benefiting from the inert and atomic smooth graphene surface, the CsPbBr₃ film grown on top by the van der Waal epitaxy has higher crystallinity, improved (100) orientation, and an average domain size of up to 1.22 µm. Meanwhile, a strong downward band bending is observed at the graphene/perovskite interface, improving the electron extraction to the electron transport layers (ETL). As a result, perovskite film grown on graphene has lower photoluminescence (PL) intensity, shorter carrier lifetime, and fewer defects. Finally, a photovoltaic device based on epitaxy CsPbBr₃ film is fabricated, exhibiting power conversion efficiency (PCE) of up to 10.64% and stability over 2000 h in the air.

Keywords

all-inorganic perovskite solar cells / buried interface modification / monolayer graphene / van der Waals epitaxial growth

References

[1] C. Liu, Y.-B. Cheng, Z. Ge, Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 1653.

[2] L. Chouhan, S. Ghimire, C. Subrahmanyam, T. Miyasaka, V. Biju, Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 2869.

[3] C. Liang, H. Gu, J. Xia, T. Liu, S. Mei, N. Zhang, Y. Chen, G. Xing, Carbon Energy 2023, 5, e251.

[4] J. Zeng, L. Bi, Y. Cheng, B. Xu, A. K. Y. Jen, Nano Res. Energy 2022, 1, e9120004.

[5] B. Li, Z. Li, X. Wu, Z. Zhu, Nano Res. Energy 2022, 1, e9120011.

[6] L. Q. Wang, L. Wen, Y. Y. Tong, S. H. Wang, X. G. Hou, X. D. An, S. X. Dou, J. Liang, Carbon Energy 2021, 3, 225.

[7] R. He, X. Z. Huang, M. Chee, F. Hao, P. Dong, Carbon Energy 2019, 1, 109.

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

[9] 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.

[10] W. Xiang, W. Tress, Adv. Mater. 2019, 31, 1902851.

[11] K. Domanski, B. Roose, T. Matsui, M. Saliba, S.-H. Turren-Cruz, J.-P. Correa-Baena, C. R. Carmona, G. Richardson, J. M. Foster, F. De Angelis, J. M. Ball, A. Petrozza, N. Mine, M. K. Nazeeruddin, W. Tress, M. Grätzel, U. Steiner, A. Hagfeldt, A. Abate, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 604.

[12] 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.

[13] J. Chen, W. C. H. Choy, Sol. RRL 2020, 4, 2000408.

[14] W. Shockley, H. J. Queisser, J. Appl. Phys. 1961, 32, 510.

[15] C. Liang, G. Xing, Energy Environ. Mater. 2021, 4, 500.

[16] R. Guo, J. Xia, H. Gu, X. Chu, Y. Zhao, X. Meng, Z. Wu, J. Li, Y. Duan, Z. Li, Z. Wen, S. Chen, Y. Cai, C. Liang, Y. Shen, G. Xing, W. Zhang, G. Shao, J. Mater. Chem. A 2023, 11, 408.

[17] C. Zhen, T. Wu, R. Chen, L. Wang, G. Liu, H.-M. Cheng, ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 4586.

[18] Z. Dai, S. K. Yadavalli, M. Chen, A. Abbaspourtamijani, Y. Qi, N. P. Padture, Science 2021, 372, 618.

[19] R. C. Shallcross, S. Olthof, K. Meerholz, N. R. Armstrong, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 32500.

[20] C. Bi, Q. Wang, Y. Shao, Y. Yuan, Z. Xiao, J. Huang, Nat. Commun. 2015, 6, 7747.

[21] H. Tan, A. Jain, O. Voznyy, X. Lan, F. P. G. d. Arquer, J. Z. Fan, R. Quintero-Bermudez, M. Yuan, B. Zhang, Y. Zhao, F. Fan, P. Li, L. N. Quan, Y. Zhao, Z.-H. Lu, Z. Yang, S. Hoogland, E. H. Sargent, Science 2017, 355, 722.

[22] Z. Li, L. Wang, R. Liu, Y. Fan, H. Meng, Z. Shao, G. Cui, S. Pang, Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1902142.

[23] D. Yang, R. Yang, K. Wang, C. Wu, X. Zhu, J. Feng, X. Ren, G. Fang, S. Priya, S. Liu, Nat. Commun. 2018, 9, 3239.

[24] Z. Liu, L. Qiu, L. K. Ono, S. He, Z. Hu, M. Jiang, G. Tong, Z. Wu, Y. Jiang, D.-Y. Son, Y. Dang, S. Kazaoui, Y. Qi, Nat. Energy 2020, 5, 596.

[25] K. Wojciechowski, S. D. Stranks, A. Abate, G. Sadoughi, A. Sadhanala, N. Kopidakis, G. Rumbles, C.-Z. Li, R. H. Friend, A. K. Y. Jen, H. J. Snaith, ACS Nano 2014, 8, 12701.

[26] M. Valles-Pelarda, B. C. Hames, I. García-Benito, O. Almora, A. Molina-Ontoria, R. S. Sánchez, G. Garcia-Belmonte, N. Martín, I. Mora-Sero, J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 4622.

[27] Q. Dong, C. Zhu, M. Chen, C. Jiang, J. Guo, Y. Feng, Z. Dai, S. K. Yadavalli, M. Hu, X. Cao, Y. Li, Y. Huang, Z. Liu, Y. Shi, L. Wang, N. P. Padture, Y. Zhou, Nat. Commun. 2021, 12, 973.

[28] B. Chen, H. Chen, Y. Hou, J. Xu, S. Teale, K. Bertens, H. Chen, A. Proppe, Q. Zhou, D. Yu, K. Xu, M. Vafaie, Y. Liu, Y. Dong, E. H. Jung, C. Zheng, T. Zhu, Z. Ning, E. H. Sargent, Adv. Mater. 2021, 33, 2103394.

[29] C.-C. Zhang, S. Yuan, Y.-H. Lou, Q.-W. Liu, M. Li, H. Okada, Z.-K. Wang, Adv. Mater. 2020, 32, 2001479.

[30] M. Zhang, M. Ye, W. Wang, C. Ma, S. Wang, Q. Liu, T. Lian, J. Huang, Z. Lin, Adv. Mater. 2020, 32, 2000999.

[31] X. Chen, W. Xu, N. Ding, Y. Ji, G. Pan, J. Zhu, D. Zhou, Y. Wu, C. Chen, H. Song, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003295.

[32] J. Dou, C. Zhu, H. Wang, Y. Han, S. Ma, X. Niu, N. Li, C. Shi, Z. Qiu, H. Zhou, Y. Bai, Q. Chen, Adv. Mater. 2021, 33, 2102947.

[33] T. J. Macdonald, A. J. Clancy, W. Xu, Z. Jiang, C.-T. Lin, L. Mohan, T. Du, D. D. Tune, L. Lanzetta, G. Min, T. Webb, A. Ashoka, R. Pandya, V. Tileli, M. A. McLachlan, J. R. Durrant, S. A. Haque, C. A. Howard, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 21549.

[34] A. Agresti, A. Pazniak, S. Pescetelli, A. Di Vito, D. Rossi, A. Pecchia, M. Auf der Maur, A. Liedl, R. Larciprete, D. V. Kuznetsov, D. Saranin, A. Di Carlo, Nat. Mater. 2019, 18, 1228.

[35] G. Tang, P. You, Q. Tai, A. Yang, J. Cao, F. Zheng, Z. Zhou, J. Zhao, P. K. L. Chan, F. Yan, Adv. Mater. 2019, 31, 1807689.

[36] E. Zhao, L. Gao, S. Yang, L. Wang, J. Cao, T. Ma, Nano Res. 2018, 11, 5913.

[37] W. Chen, K. Li, Y. Wang, X. Feng, Z. Liao, Q. Su, X. Lin, Z. He, J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 591.

[38] L. L. Jiang, Z. K. Wang, M. Li, C. C. Zhang, Q. Q. Ye, K. H. Hu, D. Z. Lu, P. F. Fang, L. S. Liao, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705875.

[39] C.-C. Chung, S. Narra, E. Jokar, H.-P. Wu, E. W.-G. Diau, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 13957.

[40] Q. Zhou, J. Duan, J. Du, Q. Guo, Q. Zhang, X. Yang, Y. Duan, Q. Tang, Adv. Sci. 2021, 8, 2101418.

[41] B. Wang, J. Iocozzia, M. Zhang, M. Ye, S. Yan, H. Jin, S. Wang, Z. Zou, Z. Lin, Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 4854.

[42] L. Fagiolari, F. Bella, Energy Environ. Sci. 2019, 12, 3437.

[43] X. Lin, H. Su, S. He, Y. Song, Y. Wang, Z. Qin, Y. Wu, X. Yang, Q. Han, J. Fang, Y. Zhang, H. Segawa, M. Grätzel, L. Han, Nat. Energy 2022, 7, 520.

[44] M. P. Hautzinger, E. K. Raulerson, S. P. Harvey, T. Liu, D. Duke, X. Qin, R. A. Scheidt, B. M. Wieliczka, A. J. Phillips, K. R. Graham, V. Blum, J. M. Luther, M. C. Beard, J. L. Blackburn, J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 2052.

[45] J. Yoon, H. Sung, G. Lee, W. Cho, N. Ahn, H. S. Jung, M. Choi, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 337.

[46] S. Wang, X. Huang, H. Sun, C. Wu, Nanoscale Res. Lett. 2017, 12, 619.

[47] T. H. Chowdhury, M. Akhtaruzzaman, M. E. Kayesh, R. Kaneko, T. Noda, J.-J. Lee, A. Islam, Sol. Energy 2018, 171, 652.

[48] H. Yang, N. Liu, M. Ran, Z. He, R. Meng, M. Chen, H. Lu, Y. Yang, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2020, 31, 3603.

[49] E. Nouri, M. R. Mohammadi, Z.-X. Xu, V. Dracopoulos, P. Lianos, Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 2388.

[50] H.-S. Kim, B. Yang, M. M. Stylianakis, E. Kymakis, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, A. Hagfeldt, Cell Rep. Phys. Sci. 2020, 1, 100053.

[51] A. Agresti, S. Pescetelli, B. Taheri, A. E. Del Rio Castillo, L. Cinà, F. Bonaccorso, A. Di Carlo, ChemSusChem 2016, 9, 2609.

[52] M. Dadashbeik, D. Fathi, M. Eskandari, Sol. Energy 2020, 207, 917.

[53] F. Biccari, F. Gabelloni, E. Burzi, M. Gurioli, S. Pescetelli, A. Agresti, A. E. Del Rio Castillo, A. Ansaldo, E. Kymakis, F. Bonaccorso, A. Di Carlo, A. Vinattieri, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701349.

[54] L. M. Malard, M. A. Pimenta, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, Phys. Rep. 2009, 473, 51.

[55] Z. Li, L. Kong, S. Huang, L. Li, Angew. Chem. 2017, 129, 8246.

[56] C. Ma, M. Grätzel, N.-G. Park, ACS Energy Lett. 2022, 7, 3120.

[57] K. Huang, L. Yuan, S. Feng, Inorg. Chem. Front. 2015, 2, 965.

[58] J.-W. Lee, Z. Dai, T.-H. Han, C. Choi, S.-Y. Chang, S.-J. Lee, N. De Marco, H. Zhao, P. Sun, Y. Huang, Nat. Commun. 2018,

[59] X. Zheng, Y. Hou, C. Bao, J. Yin, F. Yuan, Z. Huang, K. Song, J. Liu, J. Troughton, N. Gasparini, Nat. Energy 2020, 5, 131.

[60] Q. An, F. Paulus, D. Becker-Koch, C. Cho, Q. Sun, A. Weu, S. Bitton, N. Tessler, Y. Vaynzof, Matter 2021, 4, 1683.

[61] Y. Kim, S. S. Cruz, K. Lee, B. O. Alawode, C. Choi, Y. Song, J. M. Johnson, C. Heidelberger, W. Kong, S. Choi, K. Qiao, I. Almansouri, E. A. Fitzgerald, J. Kong, A. M. Kolpak, J. Hwang, J. Kim, Nature 2017, 544, 340.

[62] W. Kong, H. Li, K. Qiao, Y. Kim, K. Lee, Y. Nie, D. Lee, T. Osadchy, R. J. Molnar, D. K. Gaskill, Nat. Mater. 2018, 17, 999.

[63] E. M. Miller, Y. Zhao, C. C. Mercado, S. K. Saha, J. M. Luther, K. Zhu, V. Stevanović, C. L. Perkins, J. van de Lagemaat, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 22122.

[64] R. Garg, N. K. Dutta, N. R. Choudhury, Nanomaterials 2014, 4, 267.

[65] J. Chen, C. Zhang, X. Liu, L. Peng, J. Lin, X. Chen, Photonics Res. 2021, 9, 151.

RIGHTS & PERMISSIONS

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