高效钙钛矿缺陷态钝化材料及其钝化机理

吴 凯



高效钙钛矿缺陷态钝化材料及其钝化机理

吴 凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京 100871)

有机金属卤化物钙钛矿材料具有可调的直接带隙、高摩尔吸光系数和高载流子迁移率等优异的光电性质1。基于该类钙钛矿材料的太阳能电池经过短短几年的发展，其能量转换效率几乎能够和传统晶体硅太阳能电池的效率相媲美2。因此，钙钛矿太阳能电池被研究者们寄予厚望。

在电池制备过程中所形成的钙钛矿多晶薄膜往往具有大量的晶界，处于晶界中配位不饱和的卤离子和金属离子会诱导缺陷态的形成3，从而大大增加载流子的复合几率，制约电池效率的进一步提高。为此，许多相关研究报道了对钙钛矿多晶薄膜中缺陷态的钝化工作4-7，但钙钛矿缺陷态钝化机理的揭示还需深入细究，优异的缺陷态钝化材料也有待进一步的探索开发。

最近，北京大学化学与分子工程学院黄春辉教授课题组发现并证明了一种新型的-型半导体碘化亚铜-硫脲络合物(Cu(Tu)I)可以作为高效的钙钛矿缺陷态钝化材料，并通过一步旋涂钙钛矿(CH3NH3Pb3−Cl)和Cu(Tu)I的混合前驱液制备出低缺陷态密度的CH3NH3Pb3−Cl-Cu(Tu)I杂化薄膜。经过电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP- AES)、X射线粉末衍射(XRD)、红外吸收光谱(IR)、扩展X射线吸收精细谱(EXAFS)和能量色散X射线谱(EDX)的表征证明了Cu(Tu)I在钙钛矿薄膜中可以保持原有的结构，且主要分布在钙钛矿的晶界处。经过优化，当前驱液中Cu(Tu)I的添加浓度为10 mmol∙L-1时，器件(ITO/CH3NH3PbI3−Cl- Cu(Tu)I/C60/BCP/Ag)的能量转换效率高达19.9%，相比不含Cu(Tu)I的参比器件，效率提高了近80%。

进一步对机理的研究表明，Cu(Tu)I中的Cu+和I−可以分别和钙钛矿晶界中配位不饱和的卤离子和铅离子相互作用，从而能够将钙钛矿的缺陷态深度从最初的0.35-0.45 eV降低到0.25-0.35 eV，即达到了钝化钙钛矿缺陷态的效果。此外，Cu(Tu)I还能与钙钛矿形成体相异质结，从而可以将器件的耗尽区宽度从原来的126 nm增加到265 nm。这些共同作用能够大大减小载流子的复合几率，进而提升器件的性能。另外，Cu(Tu)I相比传统的-型半导体碘化亚铜(CuI)具有更好的作用效果。这很可能归因于Cu(Tu)I具有更深的且和钙钛矿一致的价带能级，从而能更大程度地降低钙钛矿的缺陷态深度并消除由-型半导体和钙钛矿价带能级差异所产生的势阱。

当然，尽管新型-型半导体Cu(Tu)I具有优异的钙钛矿缺陷态钝化能力，但其稳定性并不令人满意，进一步的工作还有待深入。

该研究成果发表在最近出版的上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