高效鈣鈦礦缺陷態鈍化材料及其鈍化機理

吳 凱

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高效鈣鈦礦缺陷態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的直接帶隙、高摩爾吸光系數和高載流子遷移率等優異的光電性質1?；谠擃愨}鈦礦材料的太陽能電池經過短短幾年的發展，其能量轉換效率幾乎能夠和傳統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，許多相關研究報道了對鈣鈦礦多晶薄膜中缺陷態的鈍化工作4-7，但鈣鈦礦缺陷態鈍化機理的揭示還需深入細究，優異的缺陷態鈍化材料也有待進一步的探索開發。

最近，北京大學化學與分子工程學院黃春輝教授課題組發現并證明了一種新型的-型半導體碘化亞銅-硫脲絡合物(Cu(Tu)I)可以作為高效的鈣鈦礦缺陷態鈍化材料，并通過一步旋涂鈣鈦礦(CH3NH3Pb3?Cl)和Cu(Tu)I的混合前驅液制備出低缺陷態密度的CH3NH3Pb3?Cl-Cu(Tu)I雜化薄膜。經過電感耦合等離子體原子發射光譜(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構，且主要分布在鈣鈦礦的晶界處。經過優化，當前驅液中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，從而能夠將鈣鈦礦的缺陷態深度從最初的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的效果。此外，Cu(Tu)I還能與鈣鈦礦形成體相異質結，從而可以將器件的耗盡區寬度從原來的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深度并消除由-型半導體和鈣鈦礦價帶能級差異所產生的勢阱。

當然，盡管新型-型半導體Cu(Tu)I具有優異的鈣鈦礦缺陷態鈍化能力，但其穩定性并不令人滿意，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

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WU Kai

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10.3866/PKU.WHXB201705291