北大周歡萍團隊，北理工陳棋團隊&上海光源高興宇團隊nature子刊：基于陽離子級聯摻雜調控鈣鈦礦多晶薄膜晶面取向

【前言】

近年來，有機無機雜化鈣鈦礦材料因其可調的帶隙，高吸收系數，雙極載流子傳輸性質，長載流子擴散長度和低缺陷態密度等卓越的光電特性掀起了光伏能源領域的研究浪潮。經歷僅僅九年的技術發展，多晶鈣鈦礦薄膜太陽能電池的器件性能已經可以和有著六十年研究歷史的晶硅電池相媲美，其發展速度遠遠超過歷史上任何一種太陽能電池技術。從2009年至今，世界范圍內的研究人員開發了一步旋涂法，兩步旋涂法，蒸汽輔助法，刮涂法等多種薄膜制備工藝和溶劑工程，成分工程，界面工程等多項器件優化準則，在提高鈣鈦礦多晶薄膜質量和器件結構優化設計等宏觀尺度上持續推動著太陽能電池向高轉化效率邁進。然而目前，對于鈣鈦礦材料和器件在微觀和介觀尺度的深度研究仍然較少，材料微結構、載流子輸運特性與器件性能間構效關系的機理性認識的缺失直接阻礙器件效率的進一步提升，基于此，探究材料微結構與光伏性能之間的潛在規律將是提高鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵一步。

【成果簡介】

近日，北京大學周歡萍研究員課題組，北京理工大學陳棋教授課題組與上海應用物理研究所高興宇研究員團隊合作，利用國家大科學裝置中心上海光源的同步輻射X射線掠入射廣角散射技術(GIWAXS)，系統性地研究了當前保持最高效率的混合陽離子體系鈣鈦礦多晶薄膜的晶面擇優取向規律，以此為基礎，通過多元陽離子級聯的精細摻雜可控地調節了特定晶面相對于基底堆疊排列的方向，得到了更加優異的器件性能。進一步，從載流子輸運特性層面研究了不同擇優取向關系的多晶薄膜與器件性能之間內在規律，發現平行于基底的(001)晶面族的強擇優取向將會促進載流子在薄膜內的高速遷移，提高載流子在鈣鈦礦與傳輸層界面處的傳輸速率和收集效率，特定的晶面堆疊方式與擇優取向關系提供了更加高效的載流子輸運行為，因此帶來了電池器件性能的大幅改善。該研究結果證實了多元陽離子的級聯摻雜對多晶薄膜晶面擇優取向可控的有效調控，為材料微結構與光伏性能構效關系帶來機理性的理解并為當前電池突破效率瓶頸提供了新的設計思路。該成果以“Manipulation of facet orientation in hybrid perovskite polycrystalline films by cation cascade”為題發表在著名期刊Nature Communications，北京大學與上海應用物理研究所聯合培養博士生鄭官豪杰與北京理工大學博士生朱城為該論文的共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1：堿金屬陽離子多元級聯摻雜的取向演變分析

a）FAMA, FAMA-Cs, FAMA-CsRb, FAMA-CsRbK級聯摻雜多晶薄膜的GIWAXS花樣

b）FAMA, FAMA-Cs, FAMA-CsRb, FAMA-CsRbK級聯摻雜多晶薄膜(001)晶面的方位角積分強度圖

c）級聯摻雜多晶薄膜晶面取向位向演變示意圖

圖2：Cs⁺梯度摻雜的取向演變分析

a）FAMA-Cs0, FAMA-Cs2, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10級聯摻雜多晶薄膜的GIWAXS花樣

b）FAMA-Cs0, FAMA-Cs2, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10級聯摻雜多晶薄膜(001)晶面的方位角積分強度圖

圖3：Cs⁺梯度摻雜多晶薄膜載流子輸運分析

a）FAMA-Cs0, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10多晶薄膜C-AFM測試

b)-d)?FAMA-Cs0, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10器件空間電荷限制電流(SCLC)測試

圖4：Cs⁺梯度摻雜器件界面載流子輸運分析

a)FAMA-Cs0, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10器件瞬態光電流(TPC)測試

b)FAMA-Cs0, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10器件瞬態光電壓(TPV)測試

c)FAMA-Cs0, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10器件電化學阻抗譜(EIS)

c)FAMA-Cs0, FAMA-Cs5, FAMA-Cs10器件IMPS數據擬合分析圖

【總結】

該研究系統調研了堿金屬陽離子Cs⁺，Rb⁺，K⁺的多元級聯摻雜對于晶體堆疊取向的影響，通過精細的摻雜實現可控的取向調控，揭示了微結構層次的擇優取向極大地影響鈣鈦礦材料的光電特性，證實了平行于基底的(001)晶面族的強擇優取向將會促進載流子在薄膜內的高速遷移，提高載流子在鈣鈦礦與傳輸層界面處的傳輸速率和收集效率，建立了清晰明確的鈣鈦礦多晶微結構，器件性能與載流子輸運特性三者之間潛在的構效關系，為當前電池突破效率瓶頸提供了新的設計思路。

【文獻引用與鏈接】

Manipulation of facet orientation in hybrid perovskite polycrystalline films by cation cascade. Nature Communications 9, 2793 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-05076-w

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05076-w

【致謝】

北大周歡萍團隊、北理工陳棋團隊在此致謝上海應用物理研究所上海光源平臺提供的高能同步輻射機時支持和高興宇研究員團隊表征技術的大力支持，致謝中國科學院化學研究所胡勁松研究員和馬靖媛博士在原子力顯微鏡(AFM)測試方面的幫助，致謝北京理工大學宇航學院洪家旺教授和唐剛博士在第一性原理計算部分提供的幫助。

本文由朱城提供，編輯整理。

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