引言

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其高的光電轉(zhuǎn)換效率及簡單廉價的制備工藝，在光伏領(lǐng)域掀起了新的研究熱潮，是當(dāng)前發(fā)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(xù)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(fā)的相分離，以及由于MAI蒸發(fā)引起的鈣鈦礦的分解。因此，僅當(dāng)薄膜表面富含MAI時，光照才能在鈣鈦礦合成中展現(xiàn)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(xué)印壽根教授、西安電子科技大學(xué)常晶晶教授（共同通訊作者）等人在連續(xù)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(lán)和白光）照射輔助鈣鈦礦合成。飛行時間?二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）及深能級瞬態(tài)光譜（DLTS）研究結(jié)果表明在無光照條件下，碘會在鈣鈦礦表面富集，導(dǎo)致器件內(nèi)部出現(xiàn)大量缺陷；白光可以驅(qū)使碘進入薄膜體相，使其在薄膜內(nèi)均勻分布，進而有效消除缺陷?；诎坠廨o助策略制備的鈣鈦礦器件相比對照樣展現(xiàn)了更高的光電轉(zhuǎn)換效率及光穩(wěn)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(guān)成果以題為 “Reducing Defects in Perovskite Solar Cells with White Light Illumination Assisted Synthesis” 發(fā)表在ACS Energy Letter上。

圖文導(dǎo)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(qū)膜自身的光吸收。前驅(qū)膜在可見光區(qū)具有非常微弱的光吸收，從而避免了MAI與PbI2反應(yīng)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(jié)果。白光下制備薄膜的本征電阻大幅降低，表明薄膜反應(yīng)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(jié)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(nèi)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?？梢姲坠獠坏垢嗟牡庀虮∧?nèi)部擴散，而且消除了表面富集的過量MA，使二者在薄膜內(nèi)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(jié)果，與ToF-SIMS結(jié)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(tǒng)計；

(b) FA(Cs, MA)PbI(Br)3器件效率統(tǒng)計。

圖五 鈣鈦礦器件工作穩(wěn)定性測試

MPP條件下，器件在不同光源（藍(lán)、綠、紅和白光）照明下的穩(wěn)態(tài)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(wěn)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(tài)譜結(jié)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(jié)果；

(d) 根據(jù)深能級瞬態(tài)光譜測試得到的態(tài)密度結(jié)果；

(e) 不同光照條件下制備的鈣鈦礦薄膜的PL光譜。

小結(jié)

研究人員在該工作中對比了不同波長的光對連續(xù)氣相沉積法制備的鈣鈦礦的影響，發(fā)現(xiàn)單色光（紅、綠和藍(lán)）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(fā)，導(dǎo)致有機銨鹵化物在薄膜體相中非常均勻的垂直分布。預(yù)先光照處理制備得到的鈣鈦礦器件內(nèi)部缺陷得到有效消除，光穩(wěn)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(huán)境設(shè)計提供了有效的借鑒和指導(dǎo)。

文獻(xiàn)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(xué)印壽根教授現(xiàn)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(xué)校特聘教授、天津市“131”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工程第一層次人才、天津市優(yōu)秀留學(xué)回國人員、天津市學(xué)科領(lǐng)軍團隊帶頭人、國務(wù)院特殊津貼專家。獲天津市自然科學(xué)一等獎2項、科技進步二等獎1項。主要從事新型半導(dǎo)體材料與器件包括高性能有機高分子或無機復(fù)合半導(dǎo)體材料、新型太陽能器件與儲存、場發(fā)光與顯示、場晶體管器件等方面的研究。先后承擔(dān)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(fā)表論文130余篇。印教授領(lǐng)導(dǎo)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(fā)明專利授權(quán)3項，發(fā)表SCI論文十余篇。

西安電子科技大學(xué)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(xié)“青年人才托舉工程”入選者，陜西省科協(xié)托舉人才，陜西省科技創(chuàng)新團隊核心成員等。主要從事有機半導(dǎo)體、寬禁帶氧化物半導(dǎo)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(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃、軍委科技委前沿創(chuàng)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(fā)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(wǎng)站作為研究亮點進行報道，授權(quán)美國發(fā)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(fā)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。