黃勁松Adv. Mater. ：2秒氬氣等離子體處理有效解決鈣鈦礦薄膜表面鈍化問題

金也 6年前 (2018-01-19) 6379瀏覽

【引言】

?有機-無機鹵化物鈣鈦礦(OIHP)具有光吸收系數大、載流子遷移率高、載流子復合壽命長等優點，因此引起了研究者廣泛研究。其效率也從起初的3%迅速發展到超過20%。大量研究表明鈣鈦礦薄膜表面鈍化和晶粒尺寸增大是提高電池效率的重要手段。在過去幾年，研究者致力于增大鈣鈦礦晶粒尺寸，以減少晶界面積。比如在非潤濕性材料表面生長大高寬比的鈣鈦礦晶粒可以降低電荷復合。但是鈣鈦礦薄膜表面比晶界有更多的缺陷且薄膜表面面積遠大于晶界面積，因此鈍化膜表面，降低表面的非輻射復合是提升鈣鈦礦太陽能電池效率的關鍵。

?與傳統半導體材料(硅)中的懸掛鍵相比，由于OIHP材料的離子性質， OIHP材料中的表面缺陷多為帶電缺陷。到目前為止，許多材料被證明可以與帶電缺陷態發生相互作用進而起到鈍化效果。一些帶有π鍵的有機半導體分子進入到OIHP材料中可以起到鈍化作用，然而，大部分鈍化分子材料作用的缺陷類型有限。比如PC61BM可以有效的鈍化一些由反位 (PbI)和未成鍵Pb原子引起的缺陷，然而鈣鈦礦薄膜表面深缺陷的種類較為復雜，主要包括PbI, Pb團簇和IMA。如果薄膜表面的如MA+ 和 I- 的有機部分能被去除掉，IMA 缺陷就可以被去除，而留下的富鉛表面能被已知的如富勒烯的電子傳輸材料很好的鈍化。利用熱處理的方法可以移除MAI從而達到調節鈣鈦礦薄膜的成分的作用，然而熱處理也容易造成表面以下且鈍化材料到達不了的MAPbI3分解進而導致更嚴重的電荷復合。因此，尋找一種更為有效的表面鈍化方法仍然是個嚴峻的考驗。

【成果簡介】

?近日，美國北卡羅來納大學教堂山分校的黃勁松教授（通訊作者）的指導下， 博士生肖勛（一作）等人在Adv. Mater. 上發表了一篇名為“Argon Plasma Treatment to Tune Perovskite Surface Composition for High Efficiency Solar Cells and Fast Photodetectors”的文章。該研究報道了一種氬等離子體處理(APT)作為調整鈣鈦礦薄膜和單晶表面成分的有效方法。APT法可以有效去除鈣鈦礦表面的有機組分，并且可以在鈍化層沉積前，將所有缺陷類型統一起來，留下富鉛鈣鈦礦表面，以獲得較好的鈍化效果。

【圖文簡介】

圖1：APT法去除有機物過程示意圖

(a). 氬等離子體處理（APT）為MAPbI3表面消除MAI并且暴露鉛豐富的表面；

(b). APT法處理不同時間時鈣鈦礦薄膜對應的元素比例變化。

圖2：XRD與TRPL譜

(a). APT處理2秒與不處理的鈣鈦礦薄膜的XRD譜；

(b). APT處理不同時間對應的鈣鈦礦薄膜的時間分辨光致發光譜 (TRPL) 。

圖3：器件性能表征

(a). 器件結構圖；

(b, c). APT處理不同時間下,器件所對應的J-V曲線和EQE曲線；

(d). 器件效率的統計分布；

(e). 2秒APT處理器件的Jsc和PCE的穩態測試；

(f). 器件的穩定性測試。

圖4：瞬態測試

(a, b). APT處理的鈣鈦礦太陽能電池的瞬態光電流(TPC)與瞬態光電壓(TPV)曲線；

(c, d). 單晶鈣鈦礦的瞬態光電流曲線，放大曲線(d)。

圖5：態密度計算

(a). 超量MAI處理的MAPbI3表面的計算態密度，以及其用PCBM鈍化后的計算態密度(DOS);

(b). 適量MAI處理的MAPbI3表面的計算態密度，以及其用PCBM鈍化后的計算態密度 (DOS);

(c). 用APT法處理前后的器件的缺陷態密度。

【小結】

? 研究者在制備鈣鈦礦太陽能電池中引入了氬氣等離子體處理過程(APT)成功地調節了鈣鈦礦薄膜表面成分，并且有效的去除了表面的有機成分進而統一了缺陷態類型以達到更好的鈍化效果。用該方法處理的鈣鈦礦太陽能電池的平均效率達到19.3%，最高效率達到20.4%。

文獻鏈接：Argon Plasma Treatment to Tune Perovskite Surface Composition for High Efficiency Solar Cells and Fast Photodetectors (Adv. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adma.201705176)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

黃勁松課題組主頁：http://huangjinsong.wixsite.com/group

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