Nature Energy：利用季銨鹵化物陰陽離子鈍化混合鈣鈦礦太陽能電池中的缺陷
【背景介紹】
有機-無機鹵化物鈣鈦礦（OIHP）半導體包含一組獨特的光電子屬性，如強光吸收，高電荷載流子遷移率和長的內在載流子復合壽命，實現了比較高的電力轉換效率（PCE）。但有機-無機鹵化物鈣鈦礦薄膜的表面和晶界處的離子缺陷對鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性都是有害的。
【成果簡介】
近日，來自美國內布拉斯加大學林肯分校的黃勁松教授（通訊作者）等人研究發現季銨鹵化物可以有效地鈍化幾種不同類型的雜化鈣鈦礦中的離子缺陷及其負電荷和正電荷成分。有效的缺陷鈍化減少了電荷陷阱密度，延長了載流子復合壽命，這是由密度函數理論計算支持的。缺陷鈍化將p-i-n結構器件的開路電壓虧損降低到0.39V，并將效率提高到20.59±0.45％。此外，缺陷愈合也顯著提高了膜在環境條件下的穩定性。該成果以題為“Defect passivation in hybrid perovskite solar cells using quaternary ammonium halide anions and cations”發表在了Nature Energy上。
【圖文導讀】
圖1?季銨鹵化物的器件結構和鈍化機理
a）鈣鈦礦平面異質結太陽能電池的器件結構
b）組裝在缺陷部位的季銨鹵化物（QAH）的示意圖
c）苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）的化學結構
d）L-α-磷脂酰膽堿，碘化膽堿和氯化膽堿的化學結構
e）與沒有鈍化的對照膜（藍色）相比氯化膽堿層（紅色）的鈣鈦礦膜的時間分辨熒光（PL）光譜
f）氯化膽堿處理裝置（紅色）的電荷載體壽命和PCBM層（藍色）的控制裝置
圖2 鈍化層相關裝置性能
a）兩步處理的MAPbI3器件的電流密度電壓（J-V）特性
b）由PCBM（藍色），L-α-磷脂酰膽堿（綠色），氯化膽堿（紅色）和碘化膽堿（紫色）鈍化通過兩步處理的MAPbI3裝置的J-V曲線
c）具有PCBM（藍色），L-α-磷脂酰膽堿（綠色），碘化膽堿（紫色）和氯化膽堿（紅色）的裝置的V OC分布統計
d）一步加工FA0.83MA0.17Pb（I0.83Br0.17）3膽堿氯化物裝置（紅色）?J-V特性曲線
e）在反向（紅色）和向前（藍色）掃描方向上測量的膽堿氯化物鈍化制備的裝置的J-V曲線
圖3?鈍化機制
a）通過熱導納光譜法獲得的具有PCBM（藍色）和膽堿氯化物鈍化層（紅色）裝置的陷阱密度
b-e）具有最高占位價的Pb-1脯氨酸缺陷和等值面積的膽堿氯化物鈍化PbI2表面的最高占據價帶（b）和最低未占據導帶（c）的等值面圖帶（d）和具有Pb簇缺陷的膽堿氯化物鈍化的MAI表面的最低未占據的導帶（e）
f）用氯化膽堿（橙色）和碘化膽堿（綠色）鈍化的Pb-1脯氨酸缺陷表面的狀態密度
g）具有Pb簇缺陷的氯化膽堿鈍化（紅色），碘化膽堿鈍化（綠色）和未激活的MAI終止表面（藍色）的DOS
h）在g的最低導帶附近放大DOS（從-0.5到0.5eV）
圖4?具有不同鈍化層的鈣鈦礦太陽能電池的穩定性評估
a-d）?在空氣中儲存35天以上，相對于具有L-α-磷脂酰膽堿（藍色）和氯化膽堿（紅色）的裝置初始參數PCE (a), J SC (b), V OC (c) and FF (d)的演變
e）1個太陽光照下26h未封裝裝置的最大功率點跟蹤
f-h）沒有鈍化層（f），有L-α-磷脂酰膽堿（g）和有氯化膽堿（h）的OIHP膜的拍攝圖像
i-k）沒有鈍化層（i）與有L-α-磷脂酰膽堿（j）和有氯化膽堿（k）的OIHP膜的圖片
【總結】
本文證明了QAHs在OIHPs中鈍化離子缺陷是一種通用的鈍化方法，可顯著提高OIHP太陽能電池的效率和穩定性。相信精密缺損愈合將是提高鈣鈦礦太陽能電池效率達到理論極限的重要方向，也是穩定鈣鈦礦型材料和器件的重要方向。
文獻鏈接：Defect passivation in hybrid perovskite solar cells using quaternary ammonium halide anions and cations（Nature Energy, 2017, DOI:10.1038/nenergy.2017.102）
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