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缺陷削弱，鈍化缺陷是實現(xiàn)高效率鈣鈦礦光伏的前提。然而，先前的報道大多基于額外引入添加劑實現(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)揮鈍化效應但避免帶來的穩(wěn)定性削弱是一個難題。

文章概述

近日，北京大學的趙清教授課題組巧妙利用超低溫凝結痕量水分實現(xiàn)鈣鈦礦薄膜表面可控刻蝕，產生僅僅位于上表面晶界的PbI2，與鈣鈦礦晶粒構成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】

要點一：PbI2分布調控

作為鈣鈦礦的合成原材料和分解產物，通常可以通過在前驅體中加過量的PbI2或高溫長時間退火分解鈣鈦礦薄膜來獲得PbI2，但這些方法產生的PbI2大多垂直分布于薄膜內部或者鈣鈦礦與電子傳輸層之間 （n-i-p型器件為例），一方面會影響電子的垂直運輸（PbI2為P型半導體），另一方面會削弱器件的穩(wěn)定性（由于光從ITO側入射，經過電子傳輸層后優(yōu)先接觸PbI2使其分解，產生內部孔洞）。本工作使用低溫凝結痕量水，僅僅刻蝕鈣鈦礦薄膜上表面，可控產生僅分布在上表面晶界的PbI2，實現(xiàn)PbI2的位置分布有利調控。

圖1. 構建表面Type-I能帶排列示意圖

要點二：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，當光經過完整鈣鈦礦薄膜到達PbI2時，已經幾乎完全被鈣鈦礦薄膜吸收。因此大大削弱了光對PbI2的 分解能力，避免由于分解產生的孔洞和器件穩(wěn)定性削弱。

圖2. 避免PbI2光分解示意圖

要點三：更好地發(fā)揮鈍化效應

先前的研究表明鈣鈦礦薄膜的表面缺陷是內部的兩次方，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PbI2位于薄膜內部時，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，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換效率從20.2%提高到22.4%，并在兩步法中實現(xiàn)了23.2%的高能量轉換效率。

圖3. a. 不同處理時間下的鈣鈦礦薄膜XRD圖,PbI2峰為2θ=12.6°。b. c 不同處理時間下的鈣鈦礦薄膜的熒光發(fā)光和時間分辨熒光壽命結果，隨著的PbI2的增多，熒光特性顯示出先增強后減弱。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 變溫熒光光譜表征

圖4. 鈣鈦礦太陽能電池器件表征結果

結論

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，使能量轉換效率大幅提升到23.2%。此外，此設計還能有效地避免PbI2的光分解，在大幅提升能量轉換效率的同時有效地提升了器件穩(wěn)定性，為更好地利用具有爭議的PbI2雙刃劍效應提供了重要方法。

文章來源：Wiley MaterialsViews China公眾號