Methylammonium (MA)-free perovskite solar cells (PVSCs) have obtained great attention recently, owing to their superior stability. However, there are still gaps in efficiency between MA-free PVSCs and MA-containing counterparts. Their stability still needs to be further enhanced for meeting commercial standards, especially the illumination stability. Here, we incorporate Zn2+ into perovskite thin films to passivate defects, successfully achieving a champion efficiency of 20.7% and reinforcing the stability of MA-free FA0.9Cs0.1PbI3 PVSCs. This study reveals that Zn-doping can increase the grain size and contribute to modulate the crystallization process. Moreover, it is found that most of the Zn2+ aggregates at the grain boundaries passivating defects and, thus, effectively restrain the non-radiative recombination in the PVSCs. These findings provide a new way of realizing highly efficient and stable PVSCs.
REFERENCES
1.
NREL
, see http://www.nrel.gov/ncpv/ for “Research Cell Efficiency Records”; accessed September 2019.2.
A.
Kojima
, K.
Teshima
, Y.
Shirai
, and T.
Miyasaka
, J. Am. Chem. Soc.
131
, 6050
(2009
). 3.
Q.
Jiang
, Y.
Zhao
, X.
Zhang
, X.
Yang
, Y.
Chen
, Z.
Chu
, Q.
Ye
, X.
Li
, Z.
Yin
, and J.
You
, Nat. Photonics
13
, 460
(2019
). 4.
H.
Min
, M.
Kim
, S.-U.
Lee
, H.
Kim
, G.
Kim
, K.
Choi
, J. H.
Lee
, and S. I.
Seok
, Science
366
, 749
(2019
). 5.
W. S.
Yang
, J. H.
Noh
, N. J.
Jeon
, Y. C.
Kim
, S.
Ryu
, J.
Seo
, and S. I.
Seok
, Science
348
, 1234
(2015
). 6.
H.
Tan
, A.
Jain
, O.
Voznyy
, X.
Lan
, F. P. G.
de 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
, and E. H.
Sargent
, Science
355
, 722
(2017
). 7.
B.
Conings
, J.
Drijkoningen
, N.
Gauquelin
, A.
Babayigit
, J.
D'Haen
, L.
D'Olieslaeger
, A.
Ethirajan
, J.
Verbeeck
, J.
Manca
, E.
Mosconi
, F. D.
Angelis
, and H.-G.
Boyen
, Adv. Energy Mater.
5
, 1500477
(2015
). 8.
E. J.
Juarez-Perez
, Z.
Hawash
, S. R.
Raga
, L. K.
Ono
, and Y.
Qi
, Energy Environ. Sci.
9
, 3406
(2016
). 9.
S.-H.
Turren-Cruz
, A.
Hagfeldt
, and M.
Saliba
, Science
362
, 449
(2018
). 10.
D. P.
McMeekin
, G.
Sadoughi
, W.
Rehman
, G. E.
Eperon
, M.
Saliba
, M. T.
Horantner
, A.
Haghighirad
, N.
Sakai
, L.
Korte
, B.
Rech
, M. B.
Johnston
, L. M.
Herz
, and H. J.
Snaith
, Science
351
, 151
(2016
). 11.
Z.
Li
, M.
Yang
, J.-S.
Park
, S.-H.
Wei
, J. J.
Berry
, and K.
Zhu
, Chem. Mater.
28
, 284
(2016
). 12.
T.
Liu
, Y.
Zong
, Y.
Zhou
, M.
Yang
, Z.
Li
, O. S.
Game
, K.
Zhu
, R.
Zhu
, Q.
Gong
, and N. P.
Padture
, Chem. Mater.
29
, 3246
(2017
). 13.
J.-W.
Lee
, D.-H.
Kim
, H.-S.
Kim
, S.-W.
Seo
, S. M.
Cho
, and N.-G.
Park
, Adv. Energy Mater.
5
, 1501310
(2015
). 14.
G. E.
Eperon
, G. M.
Paternò
, R. J.
Sutton
, A.
Zampetti
, A. A.
Haghighirad
, F.
Cacialli
, and H. J.
Snaith
, J. Mater. Chem. A
3
, 19688
(2015
). 15.
L.
Yan
, Q.
Xue
, M.
Liu
, Z.
Zhu
, J.
Tian
, Z.
Li
, Z.
Chen
, Z.
Chen
, H.
Yan
, H.-L.
Yip
, and Y.
Cao
, Adv. Mater.
30
, 1802509
(2018
). 16.
Y.
Yu
, C.
Wang
, C. R.
Grice
, N.
Shrestha
, J.
Chen
, D.
Zhao
, W.
Liao
, A. J.
Cimaroli
, P. J.
Roland
, R. J.
Ellingson
, and Y.
Yan
, ChemSusChem
9
, 3288
(2016
). 17.
D.
Bi
, X.
Li
, J. V.
Milic
, D. J.
Kubicki
, N.
Pellet
, J.
Luo
, T.
LaGrange
, P.
Mettraux
, L.
Emsley
, S. M.
Zakeeruddin
, and M.
Gratzel
, Nat. Commun.
9
, 4482
(2018
). 18.
H. W.
Qiao
, S.
Yang
, Y.
Wang
, X.
Chen
, T. Y.
Wen
, L. J.
Tang
, Q.
Cheng
, Y.
Hou
, H.
Zhao
, and H. G.
Yang
, Adv. Mater.
31
, 1804217
(2019
). 19.
B.
Zhao
, S.-F.
Jin
, S.
Huang
, N.
Liu
, J.-Y.
Ma
, D.-J.
Xue
, Q.
Han
, J.
Ding
, Q.-Q.
Ge
, Y.
Feng
, and J.-S.
Hu
, J. Am. Chem. Soc.
140
, 11716
(2018
). 20.
W.
Zhao
, D.
Yang
, Z.
Yang
, and S.
Liu
, Mater. Today Energy
5
, 205
(2017
). 21.
U.
Khan
, Y.
Zhinong
, A. A.
Khan
, A.
Zulfiqar
, and N.
Ullah
, Nanoscale. Res. Lett.
14
, 116
(2019
). 22.
M.
Que
, W.
Chen
, P.
Chen
, J.
Liu
, X.
Yin
, B.
Gao
, and W.
Que
, Chem. Phys.
517
, 80
(2019
). 23.
R.
Chen
, D.
Hou
, C.
Lu
, J.
Zhang
, P.
Liu
, H.
Tian
, Z.
Zeng
, Q.
Xiong
, Z.
Hu
, Y.
Zhu
, and L.
Han
, Sustainable Energy Fuels
2
, 1093
(2018
). 24.
H. D.
Kim
, H.
Ohkita
, H.
Benten
, and S.
Ito
, Adv. Mater.
28
, 917
(2016
). 25.
Y.
Liu
, Z.
Yang
, D.
Cui
, X.
Ren
, J.
Sun
, X.
Liu
, J.
Zhang
, Q.
Wei
, H.
Fan
, F.
Yu
, X.
Zhang
, C.
Zhao
, and S.
Liu
, Adv. Mater.
27
, 5176
(2015
). 26.
Q.
Dong
, Y.
Fang
, Y.
Shao
, P.
Mulligan
, J.
Qiu
, L.
Cao
, and J.
Huang
, Science
347
, 967
(2015
). 27.
W.
Xu
, L.
Zheng
, X.
Zhang
, Y.
Cao
, T.
Meng
, D.
Wu
, L.
Liu
, W.
Hu
, and X.
Gong
, Adv. Energy Mater.
8
, 1703178
(2018
). 28.
X.
Gong
, L.
Guan
, H.
Pan
, Q.
Sun
, X.
Zhao
, H.
Li
, H.
Pan
, Y.
Shen
, Y.
Shao
, L.
Sun
, Z.
Cui
, L.
Ding
, and M.
Wang
, Adv. Funct. Mater.
28
, 1804286
(2018
). 29.
S.
Ye
, H.
Rao
, Z.
Zhao
, L.
Zhang
, H.
Bao
, W.
Sun
, Y.
Li
, F.
Gu
, J.
Wang
, Z.
Liu
, Z.
Bian
, and C.
Huang
, J. Am. Chem. Soc.
139
, 7504
(2017
). 30.
H.
Sun
, J.
Zhang
, X.
Gan
, L.
Yu
, H.
Yuan
, M.
Shang
, C.
Lu
, D.
Hou
, Z.
Hu
, Y.
Zhu
, and L.
Han
, Adv. Energy Mater.
9
, 1900896
(2019
). 31.
D.
Bai
, J.
Zhang
, Z.
Jin
, H.
Bian
, K.
Wang
, H.
Wang
, L.
Liang
, Q.
Wang
, and S. F.
Liu
, ACS Energy Lett.
3
, 970
(2018
). 32.
Y.
Zhang
, Z.
Zhou
, F.
Ji
, Z.
Li
, G.
Cui
, P.
Gao
, E.
Oveisi
, M. K.
Nazeeruddin
, and S.
Pang
, Adv. Mater.
30
, 1707143
(2018
). 33.
M.
Stolterfoht
, C. M.
Wolff
, J. A.
Márquez
, S.
Zhang
, C. J.
Hages
, D.
Rothhardt
, S.
Albrecht
, P. L.
Burn
, P.
Meredith
, T.
Unold
, and D.
Neher
, Nat. Energy
3
, 847
(2018
). 34.
W.
Li
, C.
Zhang
, Y.
Ma
, C.
Liu
, J.
Fan
, Y.
Mai
, and R. E. I.
Schropp
, Energy Environ. Sci.
11
, 286
(2018
). 35.
T. P.
Gujar
, T.
Unger
, A.
Schönleber
, M.
Fried
, F.
Panzer
, S.
van Smaalen
, A.
Köhler
, and M.
Thelakkat
, Phys. Chem. Chem. Phys.
20
, 605
(2018
). 36.
F.
Liu
, Q.
Dong
, M. K.
Wong
, A. B.
Djurišić
, A.
Ng
, Z.
Ren
, Q.
Shen
, C.
Surya
, W. K.
Chan
, J.
Wang
, A. M. C.
Ng
, C.
Liao
, H.
Li
, K.
Shih
, C.
Wei
, H.
Su
, and J.
Dai
, Adv. Energy Mater.
6
, 1502206
(2016
). 37.
Z.
Zhu
, C.-C.
Chueh
, F.
Lin
, and A. K.-Y.
Jen
, Adv. Sci.
3
, 1600027
(2016
). 38.
X.
Xu
, J.
Xiao
, G.
Zhang
, L.
Wei
, X.
Jiao
, H.-L.
Yip
, and Y.
Cao
, Sci. Bull.
65
, 208
(2020
). 39.
P.
Tiwana
, P.
Docampo
, M. B.
Johnston
, H. J.
Snaith
, and L. M.
Herz
, ACS Nano
5
, 5158
(2011
). 40.
B.
Qi
and J.
Wang
, Phys. Chem. Chem. Phys.
15
, 8972
(2013
). 41.
W. J. E.
Beek
, M. M.
Wienk
, M.
Kemerink
, X.
Yang
, and R. A. J.
Janssen
, J. Phys. Chem. B
109
, 9505
(2005
). © 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.