蘇州大學鄒貴付課題組&南昌大學熊仁根課題組Angewandte Chemie：分子鐵電驅動的高效鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

在過去的十年中，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的效率經歷了25%前所未有的突破，使其有希望成為下一代薄膜光伏技術的候選者之一。從根本上講，PSCs的性能主要取決于鈣鈦礦層的吸光能力、缺陷鈍化以及光生激子的分離和提取。在光照條件下，光生激子會被PSCs的內建場分離和提取。遺憾的是，相對較小的內建電場不能提供足夠的驅動力來完全分離光生激子，并使被捕獲的電荷逃脫深能級缺陷狀態。此外，低鈣鈦礦結晶質量將限制其光電性能和器件性能。在這一過程中，由內部和表面缺陷（特別是深能級缺陷）引起的鈣鈦礦層的非輻射復合可能成為嚴重的復合中心，對光生電子和空穴不利，導致明顯的能量損失。為了解決這些問題，人們已經投入了大量的精力，比如晶粒生長、異質結工程、添加劑注入、表面分子鈍化和納米陣列結構的合理設計等方法。因此，增強內建電場以促進電子和空穴的分離和傳輸，鈍化缺陷以減少非輻射復合對高效PSCs具有重要意義。無機氧化物鐵電材料如BiFeO₃、PbTiO₃已被報道在鐵電光伏器件中表現出可檢測的光電信號以及大于帶隙的開路電壓。外加電場可以改變鐵電材料微觀結構中不同的極化方向，并使之保持永久。因此，鐵電材料因其獨特的鐵電性質而被認為是增加光電器件內建電場的重要材料之一。到目前為止，人們已經在利用無機氧化物鐵電體或聚合物作為電子選擇/提取層、摻雜劑或界面層等方面做出了一些努力。近年來，我們發現一系列分子鐵電晶體，以其與金屬氧化物相媲美的出色鐵電響應，以及易加工、環保、重量輕、加工溫度低、機械柔性好等特性，已成為一個有吸引力的鐵電家族。特別是，它們對離子結構的化學調整，可以通過陽離子交換和碘化物空位的填充來減少電子空穴非輻射復合。探索分子鐵電體在增強內建電場和鈍化缺陷以獲得高效PSCs方面的應用機會是非常有趣的。

【成果簡介】

近日，在蘇州大學鄒貴付教授課題組和南昌大學熊仁根教授課題組合作下，首次選擇同手性分子鐵電（HMFE）摻入PSCs，其與PSCs具有相似的化學雜化鈣鈦礦結構，可構建高效太陽能電池。由于具有良好的自組裝性能，HMFE在摻入PSCs時可保持良好的晶體結構以及鐵電性能。HMFE在293 K時表現出13.96 μC cm^-2的高自發極化強度和483K的高相變溫度，高于一些無機鈣鈦礦鐵電體，如BaTiO₃（393 K），使其適合于PSCs的潛在應用。通過在鈣鈦礦層中引入HMFE， 摻雜PSCs的內建電場擴大了，從而促進了比對照組更有效的電荷分離。最終結果實現了21.78％的PCE，優于對照組18.28%的PCE。該成果以題為“Molecular ferroelectrics driven high-performance perovskite solar cells”發表在了Angewandte Chemie上。

【圖文導讀】

圖1 激子離解的器件架構和示意圖

a）對照組和b）HMFE摻雜的鈣鈦礦器件結構、SEM截面和激子分離示意圖。 在HMFE自發極化電場作用下，HMFE摻雜的鈣鈦礦薄膜顯示出更有效的電荷分離。E_p：HMFE的自發極化電場。比例尺：500 nm。

圖2 純HMFE和鈣鈦礦薄膜的鐵電響應

a-c）純HMFE的a）PFM振幅，b）PFM相位圖，c）局部壓電遲滯回線。對照組和HMFE摻雜鈣鈦礦薄膜在極化前后的 d，g，j）AFM，e，h，k）PFM振幅和f，i，l）PFM相圖。比例尺：a）為200 nm，d，g，j）為1 μm。

圖3 極化前后對HMFE摻雜的影響

HMFE摻雜鈣鈦礦薄膜在玻璃和TiO₂/FTO上的a）穩態PL光譜和b）瞬態PL光譜。標件以及HMFE摻雜PSCs極化前后的c）莫特-肖特基曲線；d）Nyquist擬合圖；e）介電常數；f）J-V曲線；g）效率直方圖；h）EQE曲線和積分光電流；i）固定偏置電壓下500 s的穩態光電流。

圖4 內建電場和缺陷態密度

a）KPFM測量的示意圖。 b-e）標件和HMFE摻雜的鈣鈦礦薄膜在TiO₂和鈣鈦礦層的異質結構界面處的b，d）AFM形貌和c，e）表面接觸電勢差。比例尺：2 μm。 f）沿c，e）中橙色和藍色箭頭的表面接觸電勢差。 g）電子和h）空穴缺陷態密度和遷移率的暗I-V測量值。插圖分別顯示了純電子和純空穴器件的結構示意圖。

圖5?極化前后的表面電流和光伏性能

a-c）標件和d-f）HMFE摻雜的鈣鈦礦薄膜在0-200 mV偏置電位下的c-AFM圖像。 a）和d）的插圖分別是對應的AFM圖像。比例尺：1 μm。g）沿著a-c）和d-f）中的藍色和綠色箭頭繪制的表面電流曲線。h）施加從0到2 Vμm^-1的不同電場后，HMFE摻雜PSCs的PCE統計圖。 i，j）HMFE摻雜PSCs在不同極化方向和極化時間下的J-V曲線。

【小結】

首次在活性層中引入同手性分子鐵電體，提高了PSCs的內建電場的同時，鈍化了缺陷，實現了21.78%的PCE。由于引入的分子鐵電與鈣鈦礦離子結構相似，使鈣鈦礦活性層的缺陷得到很好的鈍化，光致發光強度增強約8倍，電子陷阱態密度降低。進一步的研究發現，與參比的鈣鈦礦薄膜相比，引入分子鐵電的鈣鈦礦薄膜表現出更高的光吸收性能、更好的結晶性、增大的鈣鈦礦晶粒尺寸、降低的電子/空穴缺陷密度以及更高的電荷遷移率。該策略不僅明顯增強了鈣鈦礦太陽能電池的內建電場，實現更好的電荷分離和傳輸，而且可以有效抑制缺陷的非輻射復合，實現高性能的鈣鈦礦太陽能電池，為分子鐵電鈣鈦礦太陽能電池的研究奠定了基礎。

文獻鏈接：Molecular ferroelectrics driven high-performance perovskite solar cells（Angewandte Chemie， 2020，DOI:10.1002/anie.202008494）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。