Adv.Mater.:揭開鈣鈦礦光伏器件中「被埋藏的秘密」

2021-01-17 騰訊網

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鉛滷鈣鈦礦光伏器件由於其迅速提升的光電轉換效率而吸引了光伏能源領域廣泛的關注，器件中鈣鈦礦界面的系統研究與調控是實現性能提升的關鍵。雖然有研究間接顯示鈣鈦礦器件中非暴露的底部界面（簡稱：「埋底」界面）是深能級缺陷態的富集區域，但由於其非暴露的特性，該「埋底」界面一直缺乏深入系統的清晰認知。通過直觀的方式「看到」底界面缺陷分布並進一步闡明「底部微結構-化學性質-光電功能」的科學關係依舊是一個巨大的挑戰。

近日，北京大學物理學院現代光學研究所朱瑞研究員、龔旗煌院士課題組與英國薩裡大學先進技術研究院張偉教授課題組再度聯合，首次建立了直接研究多晶鈣鈦礦薄膜「埋底」界面的系統研究方法，創新發展了多晶薄膜剝離技術與原位共聚焦螢光成像技術，揭示了鈣鈦礦底面的非輻射複合區域分布及來源；基於對鈣鈦礦底面的認知，進一步闡明了異質滷化銨上表面處理工藝實現鈣鈦礦薄膜底部界面優化改善的機理。該研究成果以「Buried interfaces in halide perovskite photovoltaics」為題在國際著名學術期刊Advanced Materials上發表，北京大學博士研究生楊曉宇、羅德映博士與薩裡大學向昱任博士為本文共同第一作者。北京大學朱瑞研究員、龔旗煌院士與薩裡大學張偉教授為本文共同通訊作者。

該研究發展了一種通用鈣鈦礦多晶薄膜剝離技術，將已製備好的鈣鈦礦準光伏器件浸泡在反溶劑氯苯當中，溶劑氯苯會將底部聚合物傳輸層溶解且不影響鈣鈦礦多晶薄膜，同時，頂部金屬電極作為模板可以保證整個薄膜完整，最終將整個鈣鈦礦薄膜剝離下來從而暴露出其底面。

圖1. 鈣鈦礦多晶薄膜剝離技術。A：一價有機/無機陽離子，B：Pb2+，X：滷素陰離子。

通過剝離技術得到了完整暴露出的鈣鈦礦多晶薄膜底面樣品，進一步的形貌表徵發現相對於頂部其底部具有更大的晶粒大小，同時薄膜殘餘滷化鉛晶體在底部呈片狀而在頂部呈小顆粒狀；結合頂部與底部的化學組分及電勢分布表徵說明，底部呈現出相對與頂部更嚴重的薄膜橫向異質性，同時也反映了鈣鈦礦多晶薄膜在溶液生長過程中出現的縱向異質性。

圖2. 鈣鈦礦多晶薄膜頂面與底面的形貌、組分與電勢分布。

進一步對鈣鈦礦頂部與底部採用螢光成像測試發現，底部螢光相較於頂部整體更弱，且存在大量非輻射複合區域——螢光暗區，其中大量暗區分布於滷化鉛螢光區域附近，說明除鈣鈦礦晶粒底部嚴重的本徵缺陷引起的非輻射複合暗區之外，大量底部滷化鉛區域也會造成鈣鈦礦晶粒附近的非輻射複合加重。原位觀察中還發現滷化鉛信號與螢光暗區在鈍化過程中的消失存在時間差異。

圖3. 鈣鈦礦多晶薄膜頂面與底面的螢光成像。紅色：700-790 nm範圍螢光；藍色：500-570 nm範圍螢光。

圖4. 原位底部共聚焦螢光成像制樣、鈣鈦礦底部時間分辨原位螢光成像。

此外，眾所周知，異質滷化銨上表面處理方法是近年來實現高質量鈣鈦礦薄膜以及高效率鈣鈦礦光伏器件的最有效手段，但其機理往往被認為是對鈣鈦礦薄膜頂部附近區域的缺陷鈍化。研究者基於對底面性質的深入認知與表徵，發現異質滷化銨的上表面處理也會對底部造成顯著影響，改變底部形貌、組分以及晶體結構，從而改善了底部大量的非輻射複合區域，因此研究者將這一新機理定義為：分子輔助的微結構重構，從而更全面的解釋了異質滷化銨表面處理的高效性的根源，也證實了多晶鈣鈦礦薄膜的軟晶格性質，從而允許分子從頂部滲透擴散到薄膜底部，實現對整個薄膜全面的改善。

圖5. 滷化銨表面鈍化後鈣鈦礦薄膜頂部和底部性質。

該工作對鈣鈦礦多晶薄膜底界面的微區形貌、化學組分、電子結構及光物理性質進行了充分分析，所發展的多晶薄膜剝離技術和原位共聚焦螢光成像技術也將為為今後研究多晶薄膜底面特性提供了通用平臺；研究發現了薄膜底部相較於頂部更加嚴重的薄膜異質性，並進一步揭示了薄膜底部大量非輻射複合區域的主要來源，最終闡明了滷化銨上表面鈍化策略的真實機理，顛覆了傳統認知並為今後器件優化方法的發展以及相關分子的設計提供了指導。

在研究工作開展過程中，英國劍橋大學Samuel D. Stranks教授、美國勞倫斯伯克利Thomas P. Russell教授、鄭州大學邵國勝教授與沈永龍博士、西北工業大學黃維院士與塗用廣副教授、南方科技大學於洪宇教授等團隊都對該研究的順利開展給予了大量的支持和幫助。

該工作也得到了國家自然科學基金委、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、北京大學長三角光電科學研究院、極端光學協同創新中心、「2011計劃」量子物質科學協同創新中心、英國工程和自然科學研究委員會（EPSRC）等單位的支持。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202006435

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