Nat. Commun. : 晶界對有機-無機鈣鈦礦膜效率和穩定性的影響

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池作為一項有前景的技術已經受到廣泛關注。其能量轉化效率已經從3.8%提高到22%。隨著電池效率的持續增大，人們對晶粒尺寸的增大或者是晶界的鈍化的影響有不同的看法。薄膜的表面、晶粒的內部和相鄰晶粒間的晶界是鈣鈦礦薄膜存在缺陷的三個重要區域。所以，區別和確定這些因素對多晶鈣鈦礦薄膜光電性質的影響是至關重要的。另外，對于其穩定性而言，我們還需要研究薄膜的晶界或者表面是否是鈣鈦礦晶體發生降解的區域。因此，理解鈣鈦礦薄膜的降解機理是十分必要的。與傳統的宏觀器件表征相比，人們認為對鈣鈦礦薄膜的化學、電學和光學性質的空間分辨的研究將為推進基礎科學研究提供至關重要的信息。

【成果簡介】

近日，德克薩斯大學的賴柯吉、李曉勤、美國國家能源實驗室的朱凱（共同通訊作者）在Nat. Commun.上發表最新研究成果“Impact of grain boundaries on efficiency and stability of organic-inorganic trihalide perovskites”。在該文中，研究者通過微波阻抗顯微鏡(MIM)獲得了兩種不同效率的MAPbI₃薄膜在光照下的定量納米級光電導成像。通過實驗發現：微波信號基本均勻地分布上晶粒和晶界上。這表明微結構不會導致內部光響應的強空間變化。另一方面，所測得的光電導和光激發的載流子壽命受到本體性質的很大影響，如樣品結晶度。從局部光電導的空間演化來看，降解過程始于晶粒的分解，而不是晶粒間的晶界。該研究的結果為提高鈣鈦礦薄膜的光電性能及其大規模商業化提供了思路。該論文的第一作者為儲昭棟。

【圖文導讀】

圖1 實驗設置和有限元分析

（a）樣品的示意圖和通過透明玻璃基質的底部照明的MIM圖

（b）模擬的MIM信號隨著MAPbI₃導電率的變化

圖2 MAPbI₃的納米級別的MIM圖

（a）對于效率是18%的薄膜，當532nm的激光關閉（中間）和打開（底部）時的AFM（頂部）和MIM-im/Re圖像（AFM數據內部黑色虛線長方形所示）

（b）相應的15%的薄膜的結果圖

圖3 MAPbI₃膜的光電導和其它表征

（a）效率為18%的薄膜的MIM信號

（b）效率為15%的薄膜的MIM信號

（c）兩種薄膜的光電導圖

（d）兩種薄膜的光學吸收和IPCE圖

（e）兩種薄膜的的TRPL圖

（f）兩種薄膜的的XRD

圖4鈣鈦礦薄膜的不同微結構

（a）在532nm激光100 mW?cm^?2 光照下，MAPbI₃膜的AFM和MIM圖像

（b）單一晶界上的線廓線

（c）隨著晶界導電性的變化，參照背景晶粒（導電性為10 S m^-1）的模擬MIM對比度

圖5 MAPbI₃膜的降解過程

（a）在23℃、35%濕度下，樣品一周之后的AFM 和 MIM圖

（b）相同方法制備并且在相同條件下濕度處理的MAPbI₃薄膜的XRD圖

（c）相同方法制備并且在相同條件下濕度處理的MAPbI₃薄膜的TRPL圖

（d）MAPbI₃薄膜的降解機理示意圖

【小結】

在這項工作中，研究者報道了不同效率的MAPbI₃的光電導圖像。高的載流子移動率和長的壽命是導致薄膜有較大光電導性的直接原因。相比于晶粒內部而言，晶界具有相似的光傳導性，它們并不是降解過程發生的中心。

文獻鏈接： Impact of grain boundaries on efficiency and stability of organic-inorganic trihalide perovskites（Nat. Commun.，10.1038/s41467-017-02331-4）

【團隊介紹】德克薩斯大學奧斯汀分校物理系賴柯吉實驗組

（https://web2.ph.utexas.edu/~lailab/index.html）該組致力于研究二維材料、拓撲絕緣體、多鐵體系以及強關聯體系中的微觀物理現象。主要實驗方法包括近場微波成像，電輸運及光學測量等。

2）團隊在該領域工作匯總：見https://web2.ph.utexas.edu/~lailab/publications.html

3)相關優質文獻推薦:

Yutsung Tsai, Zhaodong Chu, Yimo Han, Chih-Piao Chuu, Di Wu, Alex Johnson, Fei Cheng, Mei-Yin Chou, David A. Muller, Xiaoqin Li, Keji Lai, and Chih-Kang Shih, "Tailoring Semiconductor Lateral Multijunctions for Giant Photoconductivity Enhancement", Advanced Materials 29, 1703680 (2017).

Xiaoyu Wu, Urko Petralanda, Lu Zheng, Yuan Ren, Rongwei Hu, Sang-Wook Cheong, Sergey Artyukhin, Keji Lai, "Low-energy Structural Dynamics of Ferroelectric Domain Walls in Hexagonal Rare-earth Manganites", Science Advances 3 (5), e1602371 (2017).

Di Wu, Xiao Li, Lan Luan, Xiaoyu Wu, Wei Li, Maruthi N Yogeesh, Rudresh Ghosh, Zhaodong Chu, Deji Akinwande, Qian Niu, Keji Lai, "Uncovering edge states and electrical inhomogeneity in MoS₂ field-effect transistors", Proceedings of the National Academy of Sciences 113 (31), 8583-8588 (2016).

本文由材料人編輯部新能源小組馬永超編譯整理，點我加入材料人編輯部。

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