顆粒在線訊：研究背景

鈣鈦礦的可溶液加工和離子型晶體特性使鈣鈦礦薄膜的光電特性被深能級(jí)缺陷削弱，鈍化缺陷是實(shí)現(xiàn)高效率鈣鈦礦光伏的前提。然而，先前的報(bào)道大多基于額外引入添加劑實(shí)現(xiàn)鈍化。PbI2作為鈣鈦礦的合成原材料和分解后的組分存在于鈣鈦礦薄膜中，本身就是一種天然的優(yōu)良鈍化劑，發(fā)揮好PbI2的鈍化作用有望實(shí)現(xiàn)非添加的高效鈣鈦礦太陽能電池。但PbI2又是一把雙刃劍，它的光不穩(wěn)定分解會(huì)在鈣鈦礦薄膜中引入孔洞，惡化器件穩(wěn)定性。如何利用好這把雙刃劍，充分發(fā)揮鈍化效應(yīng)但避免帶來的穩(wěn)定性削弱是一個(gè)難題。

文章概述

近日，北京大學(xué)的趙清教授課題組巧妙利用超低溫凝結(jié)痕量水分實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜表面可控刻蝕，產(chǎn)生僅僅位于上表面晶界的PbI2，與鈣鈦礦晶粒構(gòu)成Type-I能帶排列，顯著鈍化表面和晶界缺陷，提高鈣鈦礦太陽能電池效率同時(shí)極大地避免了PbI2的光分解，為充分利用好PbI2的雙刃劍特性提供了重要思路。

【本文要點(diǎn)】

要點(diǎn)一：PbI2分布調(diào)控

作為鈣鈦礦的合成原材料和分解產(chǎn)物，通?？梢酝ㄟ^在前驅(qū)體中加過量的PbI2或高溫長(zhǎng)時(shí)間退火分解鈣鈦礦薄膜來獲得PbI2，但這些方法產(chǎn)生的PbI2大多垂直分布于薄膜內(nèi)部或者鈣鈦礦與電子傳輸層之間 （n-i-p型器件為例），一方面會(huì)影響電子的垂直運(yùn)輸（PbI2為P型半導(dǎo)體），另一方面會(huì)削弱器件的穩(wěn)定性（由于光從ITO側(cè)入射，經(jīng)過電子傳輸層后優(yōu)先接觸PbI2使其分解，產(chǎn)生內(nèi)部孔洞）。本工作使用低溫凝結(jié)痕量水，僅僅刻蝕鈣鈦礦薄膜上表面，可控產(chǎn)生僅分布在上表面晶界的PbI2，實(shí)現(xiàn)PbI2的位置分布有利調(diào)控。

圖1. 構(gòu)建表面Type-I能帶排列示意圖

要點(diǎn)二：避免穩(wěn)定性削弱

鈣鈦礦具有超高的光吸收特性，先前的研究表明僅僅需要大約500nm厚的鈣鈦礦薄膜即可實(shí)現(xiàn)90%的光吸收。本工作巧妙地使PbI2僅僅分布在鈣鈦礦和空穴傳輸層之間，如圖2所示，當(dāng)光經(jīng)過完整鈣鈦礦薄膜到達(dá)PbI2時(shí)，已經(jīng)幾乎完全被鈣鈦礦薄膜吸收。因此大大削弱了光對(duì)PbI2的 分解能力，避免由于分解產(chǎn)生的孔洞和器件穩(wěn)定性削弱。

圖2. 避免PbI2光分解示意圖

要點(diǎn)三：更好地發(fā)揮鈍化效應(yīng)

先前的研究表明鈣鈦礦薄膜的表面缺陷是內(nèi)部的兩次方，表面缺陷鈍化往往能大幅提升器件效率，而本工作中PbI2僅僅位于表面晶界，能大幅減少缺陷密度。此外，當(dāng)PbI2位于薄膜內(nèi)部時(shí)，由于考慮到穩(wěn)定性削弱和載流子阻擋，通常最多只能過量一定量的PbI2， 這是一種犧牲PbI2的鈍化效應(yīng)換取穩(wěn)定性的妥協(xié)方式。在本工作中，PbI2僅位于薄膜上表面，有效地避免了其光分解，因此為增加PbI2的量以更大程度上發(fā)揮其鈍化效應(yīng)提供了可能。本工作中PbI2過量約為10%，最大程度上發(fā)揮了PbI2的鈍化效應(yīng)，為更好地利用好這把雙刃劍提供了重要參考?；诖瞬呗垣@得了載流子壽命超2.5微秒的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，并將鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓從1.07 V提高到1.17 V。在一步法中將鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率從20.2%提高到22.4%，并在兩步法中實(shí)現(xiàn)了23.2%的高能量轉(zhuǎn)換效率。

圖3. a. 不同處理時(shí)間下的鈣鈦礦薄膜XRD圖,PbI2峰為2θ=12.6°。b. c 不同處理時(shí)間下的鈣鈦礦薄膜的熒光發(fā)光和時(shí)間分辨熒光壽命結(jié)果，隨著的PbI2的增多，熒光特性顯示出先增強(qiáng)后減弱。d Type-I能帶排列示意圖,能有效地將電子和空穴排斥回晶粒內(nèi)部，避免在晶界處被捕獲。e.f表面終端由原來富FAI態(tài)變?yōu)楦籔bI2態(tài)。g.h 變溫?zé)晒夤庾V表征

圖4. 鈣鈦礦太陽能電池器件表征結(jié)果

結(jié)論

本工作通過控制痕量水汽可控刻蝕鈣鈦礦薄膜上表面，有效地僅僅在鈣鈦礦薄膜上表面構(gòu)建PbI2/鈣鈦礦的Type-I能帶排列，極大地避免了載流子在晶界處的損失?；诖瞬呗垣@得了載流子壽命超過2.5 μs的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，并將鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓損失降低到0.39 V，填充因子提升到0.83，使能量轉(zhuǎn)換效率大幅提升到23.2%。此外，此設(shè)計(jì)還能有效地避免PbI2的光分解，在大幅提升能量轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)有效地提升了器件穩(wěn)定性，為更好地利用具有爭(zhēng)議的PbI2雙刃劍效應(yīng)提供了重要方法。

文章來源：Wiley MaterialsViews China公眾號(hào)