北大朱瑞团队与于海峰团队合作ACS Energy Letters:钙钛矿半导体的多种缺陷管理实现高效稳定光伏器件

日期:2021-08-17     来源:InfoMat    
核心提示:选择合适的功能性材料同时有效钝化多种表面缺陷是提升钙钛矿光伏器件性能的关键一步。
有机-无机杂化钙钛矿半导体材料由于其独特优异的光电性质引起了人们极大的研究兴趣,尤其是基于钙钛矿多晶薄膜的太阳能电池已达到可媲美商业化硅太阳能电池的25.5%的认证效率,展示出巨大的市场应用潜力。

钙钛矿多晶薄膜的表面作为溶液法半导体的生长终端相较于体相存在大量本征缺陷,比如空位、替位、反位缺陷等,这些缺陷的存在会导致严重的非辐射复合以及离子迁移,从而限制光伏器件效率及稳定性的提升。

目前,大量研究工作针对钙钛矿薄膜表面缺陷采用各种的功能性分子进行表面钝化,其中功能性分子的选取与设计仅仅针对特定的一种或两种表面缺陷,而真实的多晶钙钛矿表面化学环境复杂,生长不完全的晶体中必然存在多种半导体缺陷(图)。因此,选择合适的功能性材料同时有效钝化多种表面缺陷是提升钙钛矿光伏器件性能的关键一步。

北京大学物理学院现代光学研究所朱瑞课题组与工学院于海峰课题组针对多晶钙钛矿表面多种缺陷有效钝化的问题,选取含吡啶单元的稳定聚合物材料poly(4-vinylpyridine) (P4VP),在钙钛矿表面形成多重化学相互作用,从而有效钝化多种钙钛矿表面缺陷,最终实现了效率超过23%的高效稳定钙钛矿光伏器件。

相关成果发表在ACS Energy Letters(DOI:10.1021/acsenergylett.1c01039)上,并被编辑作为当期的能源亮点(Energy Spotlight)进行报道评述(DOI:10.1021/acsenergylett.1c01321)。

得益于聚合物P4VP中大量的吡啶单体,含有孤对电子的吡啶N可以与钙钛矿表面的不饱和Pb形成配位键,填充卤素空位,依据姜-泰勒效应,配位键的形成调控了Pb-I八面体构型,使表面晶体结构更加规整,优化了多晶钙钛矿的表面态(电子结构),从而利于光生载流子的传输与提取;同时,吡啶N可以与钙钛矿材料中A位甲胺/甲眯的N-H单元形成氢键,从而抑制钙钛矿晶体中易挥发有机组分的离子迁移,提升了总体钙钛矿薄膜表面离子迁移的活化能,降低了有机空位及替位缺陷密度;此外,吡啶单元可以与钙钛矿材料中由于薄膜制备和分解而产生的I2形成卤键,I2被认为会在钙钛矿薄膜当中产生电子缺陷,因此表面卤键的形成可以很好地抑制钙钛矿薄膜中的电子缺陷,并阻挡了由于I2迁移对上层传输层的有害掺杂以及与金属电极的不良反应。

     经过P4VP处理的钙钛矿薄膜展现出更低的缺陷态密度以及良好的稳定性,最终光伏器件实现了超过23%的光电转换效率以及优异的光、热、湿稳定性。该工作为实现低缺陷、高质量的钙钛矿薄膜表面提供全新指导并为通过多种表面缺陷管理实现高效稳定钙钛矿光伏器件提供全新思路。

打赏
联系客服 投诉反馈  顶部