高效鈣鈦礦缺陷態(tài)鈍化材料及其鈍化機理

吳 凱

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高效鈣鈦礦缺陷態(tài)鈍化材料及其鈍化機理

吳 凱

(北京大學化學與分子工程學院，北京 100871)

有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有可調(diào)的直接帶隙、高摩爾吸光系數(shù)和高載流子遷移率等優(yōu)異的光電性質(zhì)1?；谠擃愨}鈦礦材料的太陽能電池經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，其能量轉(zhuǎn)換效率幾乎能夠和傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池的效率相媲美2。因此，鈣鈦礦太陽能電池被研究者們寄予厚望。

在電池制備過程中所形成的鈣鈦礦多晶薄膜往往具有大量的晶界，處于晶界中配位不飽和的鹵離子和金屬離子會誘導缺陷態(tài)的形成3，從而大大增加載流子的復合幾率，制約電池效率的進一步提高。為此，許多相關(guān)研究報道了對鈣鈦礦多晶薄膜中缺陷態(tài)的鈍化工作4-7，但鈣鈦礦缺陷態(tài)鈍化機理的揭示還需深入細究，優(yōu)異的缺陷態(tài)鈍化材料也有待進一步的探索開發(fā)。

最近，北京大學化學與分子工程學院黃春輝教授課題組發(fā)現(xiàn)并證明了一種新型的-型半導體碘化亞銅-硫脲絡(luò)合物(Cu(Tu)I)可以作為高效的鈣鈦礦缺陷態(tài)鈍化材料，并通過一步旋涂鈣鈦礦(CH3NH3Pb3?Cl)和Cu(Tu)I的混合前驅(qū)液制備出低缺陷態(tài)密度的CH3NH3Pb3?Cl-Cu(Tu)I雜化薄膜。經(jīng)過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP- AES)、X射線粉末衍射(XRD)、紅外吸收光譜(IR)、擴展X射線吸收精細譜(EXAFS)和能量色散X射線譜(EDX)的表征證明了Cu(Tu)I在鈣鈦礦薄膜中可以保持原有的結(jié)構(gòu)，且主要分布在鈣鈦礦的晶界處。經(jīng)過優(yōu)化，當前驅(qū)液中Cu(Tu)I的添加濃度為10 mmol?L-1時，器件(ITO/CH3NH3PbI3?Cl- Cu(Tu)I/C60/BCP/Ag)的能量轉(zhuǎn)換效率高達19.9%，相比不含Cu(Tu)I的參比器件，效率提高了近80%。

進一步對機理的研究表明，Cu(Tu)I中的Cu+和I?可以分別和鈣鈦礦晶界中配位不飽和的鹵離子和鉛離子相互作用，從而能夠?qū)⑩}鈦礦的缺陷態(tài)深度從最初的0.35-0.45 eV降低到0.25-0.35 eV，即達到了鈍化鈣鈦礦缺陷態(tài)的效果。此外，Cu(Tu)I還能與鈣鈦礦形成體相異質(zhì)結(jié)，從而可以將器件的耗盡區(qū)寬度從原來的126 nm增加到265 nm。這些共同作用能夠大大減小載流子的復合幾率，進而提升器件的性能。另外，Cu(Tu)I相比傳統(tǒng)的-型半導體碘化亞銅(CuI)具有更好的作用效果。這很可能歸因于Cu(Tu)I具有更深的且和鈣鈦礦一致的價帶能級，從而能更大程度地降低鈣鈦礦的缺陷態(tài)深度并消除由-型半導體和鈣鈦礦價帶能級差異所產(chǎn)生的勢阱。

當然，盡管新型-型半導體Cu(Tu)I具有優(yōu)異的鈣鈦礦缺陷態(tài)鈍化能力，但其穩(wěn)定性并不令人滿意，進一步的工作還有待深入。

該研究成果發(fā)表在最近出版的上8。

(1) Ponseca, C. S., Jr.; Savenije, T. J.; Abdellah, M.; Zheng, K.; Yartsev, A.; Pascher, T.; Harlang, T.; Chabera, P.; Pullerits, T.; Stepanov, A.; Wolf, J. P.; Sundstrom, V.2014,, 5189. doi: 10.1021/ja412583t

(2) https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png

(3) Abate, A.; Saliba, M.; Hollman, D. J.; Stranks, S. D.; Wojciechowski, K.; Avolio, R.; Grancini, G.; Petrozza, A.; Snaith, H. J.2014,, 3247. doi: 10.1021/nl500627x

(4) Shao, Y.; Xiao, Z.; Bi, C.; Yuan, Y.; Huang, J.2014,, 5784. doi: 10.1038/ncomms6784

(5) Noel, N. K.; Abate, A.; Stranks, S. D.; Parrott, E. S.; Burlakov, V. M.; Goriely, A.; Snaith, H. J.2014,, 9815. doi: 10.1021/nn5036476

(6) Wang, J. T. W.; Wang, Z.; Pathak, S.; Zhang, W.; deQuilettes, D. W.; Wisnivesky-Rocca-Rivarola, F.; Huang, J.; Nayak, P. K.; Patel, J. B.; Mohd Yusof, H. A.; Vaynzof, Y.; Zhu, R.; Ramirez, I.; Zhang, J.; Ducati, C.; Grovenor, C.; Johnston, M. B.; Ginger, D. S.; Nicholas, R. J.; Snaith, H. J.2016,, 2892. doi: 10.1039/C6EE01969B

(7) Ye, S.; Rao, H.; Yan, W.; Li, Y.; Sun, W.; Peng, H.; Liu, Z.; Bian, Z.; Li, Y.; Huang, C.2016,, 9648.doi: 10.1002/adma.201603850

(8) Ye, S.; Rao, H.; Zhao, Z.; Zhang, L.; Bao, H.; Sun, W.; Li, Y.; Gu, F.; Wang, J.; Liu, Z.; Bian, Z.; Huang, C.2017, doi: 10.1021/jacs.7b01439

An Efficient Trap State Passivator of Perovskite and Its Passivation Mechanism

WU Kai

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10.3866/PKU.WHXB201705291