Adv. Energy Mater.: 小離子在鈣鈦礦太陽能電池中的大作用

【引言】

離子移動是有機無機雜化鈣鈦礦中的熱門話題。它和鈣鈦礦太陽能電池的反常光伏效應，鈣鈦礦材料的巨介電常數等特殊性能密切相關。在鈣鈦礦太陽能電池中，一般認為離子移動很可怕，應該去除，因為大量離子移動會帶來材料相分離和電池穩定性差的問題。很少有人關注離子移動帶來的優點。因此離子移動的作用尚待進一步闡明。

【成果簡介】

近日，寧波大學諸躍進教授（通訊作者）張京副教授（第一/通訊作者）和上海交通大學/日本國立材料研究機構韓禮元研究員（通訊作者）合作研究并闡明了外來離子對鈣鈦礦太陽能電池能級調控的積極作用。并在Adv. Energy Mater上發表文章題題為：Extrinsic Movable Ions in MAPbI₃ Modulate Energy Band Alignment in Perovskite Solar Cells的研究成果。本文通過在鈣鈦礦骨架中引入少量小的鋰離子和外來碘離子，借助于外電場中外來離子的移動，闡明一定的離子移動/聚集在鈣鈦礦材料中形成了外來的n/p型摻雜：鋰離子的聚集在電池負極界面形成n型摻雜，碘離子在正極界面聚集形成p型摻雜。寧波工程學院尚明輝博士（通訊作者）使用第一性原理證實了外來離子形成了n/p型摻雜。這種外來非本征摻雜有助于電池內建電場的提高以及載流子的迅速抽取。除此，不同于鈣鈦礦自身本征的離子移動將會帶來大量的缺陷態，這種外來的離子移動不會形成相分離。因而對鈣鈦礦太陽能電池性能提高以及保持器件穩定性有積極作用。

【圖文導讀】

圖1.離子移動示意圖及電化學性能測試。

(a)外來離子在鈣鈦礦骨架中移動;

(b)鈣鈦礦離子電導隨鋰離子增多而增大;

(c)反式鈣鈦礦太陽能電池中NiO/鈣鈦礦界面電子抽取，含離子的抽取變快。

圖2.能級測量原理及摻雜類型。

(a)使用原子力顯微鏡表面電勢測試鈣鈦礦/FTO以及鈣鈦礦界面的能級;

(b)對FTO加不同偏壓，在界面形成離子聚集，測試得到表面電池并反映出n/p型摻雜。

圖3.理論計算與性能表征。

(a)DFT理論計算支持離子摻雜形成n/p型半導體；

(b)少量離子摻雜有助于電池效率與回滯減小;

(c)外來離子在界面聚集使得電池內建電場增強，從而提高電池性能。

文獻鏈接：Extrinsic Movable Ions in MAPbI3 Modulate Energy Band Alignment in Perovskite Solar Cells(Adv.Energy.Mater, 2017. doi: 10.1002/aenm.201701981)

本文由張京老師提供。

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