ACS Energy Lett. : 光照輔助合成減少鈣鈦礦電池缺陷

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其高的光電轉換效率及簡單廉價的制備工藝，在光伏領域掀起了新的研究熱潮，是當前發展最快的新一代薄膜光伏器件。已有研究表明在鈣鈦礦形成過程中，施加照明有助于改善界面處形核，并在連續沉積鈣鈦礦過程中加快離子擴散。另一方面，光照也帶來了兩個主要問題，分別為由于加速的離子遷移誘發的相分離，以及由于MAI蒸發引起的鈣鈦礦的分解。因此，僅當薄膜表面富含MAI時，光照才能在鈣鈦礦合成中展現積極的作用，然而光照對MA陽離子和I陰離子的具體影響機制目前尚不清楚。

【成果簡介】

近日，天津理工大學印壽根教授、西安電子科技大學常晶晶教授（共同通訊作者）等人在連續氣相沉積法制備鈣鈦礦薄膜過程中，采用不同波長的光（紅、綠、藍和白光）照射輔助鈣鈦礦合成。飛行時間?二次離子質譜（ToF-SIMS）及深能級瞬態光譜（DLTS）研究結果表明在無光照條件下，碘會在鈣鈦礦表面富集，導致器件內部出現大量缺陷；白光可以驅使碘進入薄膜體相，使其在薄膜內均勻分布，進而有效消除缺陷。基于白光輔助策略制備的鈣鈦礦器件相比對照樣展現了更高的光電轉換效率及光穩定性，三元陽離子體系鈣鈦礦電池效率由18.3%提高至20%以上。相關成果以題為?“Reducing Defects in Perovskite Solar Cells with White Light Illumination Assisted Synthesis”?發表在ACS Energy Letter上。

【圖文導讀】

圖一 光源選擇及器件制備示意圖

(a-b) 不同光源的光譜及前驅膜自身的光吸收。前驅膜在可見光區具有非常微弱的光吸收，從而避免了MAI與PbI₂反應之前入射光的影響；
(c-g) 實驗流程示意圖。

圖二 鈣鈦礦合成過程中的原位電阻測試

(a) 不同光照條件下鈣鈦礦薄膜的原位電阻測試結果。白光下制備薄膜的本征電阻大幅降低，表明薄膜反應充分，載流子濃度增加；
(b) 實驗過程中上基板（MAI）和下基板(PbI₂)的溫度變化圖；
(c) 解釋電阻測試結果的模型示意圖。

圖三 ToF-SIMS深度剖析

(a, b) MIA薄膜（R/G/B）與對照樣中陰、陽離子的ToF-SIMS深度剖析。可見隨著光波長的增加，碘在薄膜內部變得更加均勻，而MA則富集在薄膜表面，不利于缺陷的消除；
(c) WIA薄膜（W）與對照樣中陰、陽離子的ToF-SIMS深度剖析。可見白光不但使更多的碘向薄膜內部擴散，而且消除了表面富集的過量MA，使二者在薄膜內部更加均勻，有利于缺陷的消除；
(d) WIA薄膜（W）與對照樣的XPS深度剖析結果，與ToF-SIMS結果吻合。

圖四 不同光照條件下制備的鈣鈦礦電池性能箱式分布圖

(a) MAPbI₃器件效率統計；
(b) FA(Cs, MA)PbI(Br)₃器件效率統計。

圖五 鈣鈦礦器件工作穩定性測試

MPP條件下，器件在不同光源（藍、綠、紅和白光）照明下的穩態效率輸出，其中曲線顏色代表不同光照下合成的鈣鈦礦（粉色代表白光）。白光器件具有比單色光器件更高的光穩定性

?圖六?鈣鈦礦器件的缺陷表征(a) 不同光照條件下制備的鈣鈦礦電池的深能級瞬態譜結果。紅光和黑暗下制備器件的缺陷最多，而白光（粉線）制備器件的缺陷最少（曲線最平）；
(b-c) 不同光照條件下制備的鈣鈦礦電池的阿爾尼烏斯方法擬合結果；
(d) 根據深能級瞬態光譜測試得到的態密度結果；
(e) 不同光照條件下制備的鈣鈦礦薄膜的PL光譜。

【小結】

研究人員在該工作中對比了不同波長的光對連續氣相沉積法制備的鈣鈦礦的影響，發現單色光（紅、綠和藍）可以引起鹵化物的垂直均勻化分布以及MA在表面的富集；而白光可以促使更多的鹵化物進入膜中，并且使過量的MA從表面蒸發，導致有機銨鹵化物在薄膜體相中非常均勻的垂直分布。預先光照處理制備得到的鈣鈦礦器件內部缺陷得到有效消除，光穩定性大大提高。該白光照明輔助合成策略有效改善了鈣鈦礦的形成，也為更好的鈣鈦礦合成環境設計提供了有效的借鑒和指導。

文獻鏈接：Reducing Defects in Perovskite Solar Cells with White Light Illumination Assisted Synthesis（ACS Energy Lett.?2019, DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02145）

【通訊作者/團隊介紹】

天津理工大學印壽根教授現為顯示材料與光電器件教育部重點實驗室主任。入選百千萬人才工程國家級人選、天津市高等學校特聘教授、天津市“131”創新型人才培養工程第一層次人才、天津市優秀留學回國人員、天津市學科領軍團隊帶頭人、國務院特殊津貼專家。獲天津市自然科學一等獎2項、科技進步二等獎1項。主要從事新型半導體材料與器件包括高性能有機高分子或無機復合半導體材料、新型太陽能器件與儲存、場發光與顯示、場晶體管器件等方面的研究。先后承擔國家基金、科技部“863”計劃項目、科技部大型儀器專項等二十多項研究課題。已在包括Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Applied Physics Letters、Journal of Materials Chemistry A等雜志上發表論文130余篇。印教授領導的有機光電器件團隊近年來在鈣鈦礦器件制備方面的工作已獲得國家發明專利授權3項，發表SCI論文十余篇。

西安電子科技大學常晶晶教授，中組部第十二批“千人計劃”青年項目入選者，中國科協“青年人才托舉工程”入選者，陜西省科協托舉人才，陜西省科技創新團隊核心成員等。主要從事有機半導體、寬禁帶氧化物半導體及鈣鈦礦材料在電子器件和光電器件等方面的研究。主持參與了國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、科技部重點研發計劃、軍委科技委前沿創新項目、校企合作橫向項目等二十余項課題。近幾年在Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition等國際期刊上發表SCI論文120余篇，其中一作及通訊70余篇，研究成果被Materials Views China、Synfacts、X-MOL等網站作為研究亮點進行報道，授權美國發明專利一項，申請中國專利20余項。目前課題組在鈣鈦礦界面工程、薄膜鈍化、理論計算、器件仿真等方面做了一些代表性工作，發表SCI論文40余篇。
詳見個人主頁：https://web.xidian.edu.cn/jjingchang/

本文由嚕嚕編譯。

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