重慶大學(xué)陳江照研究員ACS Energy Letters：界面分子工程實現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池——材料和方法

  有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料因其具有優(yōu)異的光電性質(zhì)（如帶隙可調(diào)、載流子壽命長、載流子擴(kuò)散長度長、激子束縛能低、摩爾消光系數(shù)高、成本低、彎曲性能好、可溶液加工等）而被廣泛應(yīng)用在各種各樣的光電器件中，如太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器、憶阻器、傳感器等。其中，鈣鈦礦太陽能電池的研究最為引人注目。迄今為止，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)實現(xiàn)了高達(dá)25.2%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)Shockley–Queisser極限理論計算，帶隙為1.6eV的吸光材料能夠?qū)崿F(xiàn)大約30.5%的理論極限效率。然而，目前實現(xiàn)的最高認(rèn)證效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個理論效率，還有很大的效率提升空間。盡管過去幾年鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性改進(jìn)取得了顯著的研究進(jìn)展，但是目前器件穩(wěn)定性仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國際光伏商業(yè)化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61215）。大量的研究已經(jīng)證明了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性與體相和界面載流子非輻射復(fù)合損失密切相關(guān)。因此，進(jìn)一步通過將器件中所有非輻射復(fù)合損失最小化來釋放鈣鈦礦太陽能電池在效率和穩(wěn)定性方面的最大熱力學(xué)潛力顯得尤為重要和迫切。體相非輻射復(fù)合：眾所周知，體相電荷非輻射復(fù)合主要源于鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層、空穴傳輸層和電極。其中，源自透明電極和金屬電極的非輻射復(fù)合損失相對于其它層可能比較少。去去幾年大量的研究工作被集中在開發(fā)和優(yōu)化電荷傳輸層上。鑒于鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的離子性質(zhì)，鈣鈦礦在高溫退火和快速結(jié)晶過程中不可避免會產(chǎn)生大量的缺陷和陷阱。因此，電池中大多數(shù)體相非輻射復(fù)合應(yīng)該來源于鈣鈦礦吸光層。一般而言，缺陷根據(jù)關(guān)于導(dǎo)帶和價帶的能量位置分為深能級和淺能級缺陷。此外，缺陷也可以分為點缺陷（空位、間隙和反位）、成對缺陷（如Frenkel和Schottky缺陷）、一維缺陷（如位錯）、二維缺陷（如晶界）和三維缺陷（如析出相、大的縫隙等）。據(jù)報道，單晶鈣鈦礦薄膜的缺陷密度（MAPbI₃：10¹⁰–10¹¹ cm^-3）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多晶鈣鈦礦薄膜（MAPbI₃：10¹⁶–10¹⁷ cm^-3）。目前單晶鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了21.09%的最高光電轉(zhuǎn)換效率。然而，單晶鈣鈦礦太陽能電池依然面臨許多挑戰(zhàn)，如高質(zhì)量平滑單晶鈣鈦礦薄膜的生長。目前，所有光電轉(zhuǎn)換效率高于23%的電池都是基于多晶薄膜制備的。然而，要想進(jìn)一步提升電池的效率和穩(wěn)定性，應(yīng)該將薄膜的缺陷密度最小化。過去十年，人們開發(fā)各種各樣的策略和方法來減少鈣鈦礦薄膜的缺陷和抑制體相非輻射復(fù)合，如組分工程、維度工程、非化學(xué)計量比方法、鈣鈦礦晶粒調(diào)控、添加劑分子工程、前驅(qū)體和反溶劑分子工程等。界面缺陷作為界面非輻射復(fù)合的一個重要原因：在鈣鈦礦太陽能電池中有幾個非常重要的界面，如鈣鈦礦/電子傳輸層界面和鈣鈦礦/空穴傳輸層界面。幾個重要的物理過程會發(fā)生在這些界面，如能帶彎曲、載流子注入、載流子復(fù)合、電荷積累、離子遷移等。理解和理性調(diào)控這些物理過程對研究鈣鈦礦太陽能電池非常重要。和其他太陽能電池一樣，界面對電池性能起著決定性的作用。因此，如同體相非輻射復(fù)合一樣，將界面非輻射復(fù)合損失最小化也是實現(xiàn)高效穩(wěn)定無遲滯鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵。大量的文獻(xiàn)已經(jīng)報道電池的效率、穩(wěn)定性和遲滯與界面載流子非輻射復(fù)合動力學(xué)過程密切相關(guān)。據(jù)報道，界面非輻射復(fù)合損失的主要原因是界面缺陷、不完美的能級排列和界面反應(yīng)。大多數(shù)鈣鈦礦薄膜體相的缺陷都是淺能級的點缺陷。而在界面的大多數(shù)缺陷都是深能級的高緯度缺陷（如表面缺陷、晶界缺陷、析出相缺陷等）。多晶薄膜界面處的缺陷密度比薄膜內(nèi)部的缺陷高一到二個數(shù)量級。因此，相比于體相非輻射復(fù)合界面非輻射復(fù)合損失在電池總的非輻射復(fù)合損失中占主要部分。當(dāng)然，在鈣鈦礦的末端會形成點缺陷。形成的點缺陷會以比較慢的速度遷移到鈣鈦礦薄膜的表面和結(jié)晶。界面深能級缺陷能夠捕獲異質(zhì)結(jié)界面的載流子，造成界面非輻射復(fù)合損失，從而降低電池效率和穩(wěn)定性。缺陷捕獲的載流子和從體相遷移到表面和晶界的帶電離子將在界面積累，導(dǎo)致能帶彎曲、能級排列變化、內(nèi)建電場改變、界面非輻射復(fù)合損失，這些都不利于載流子分離與注入以及傳輸。同時，界面積累的電荷將通過捕獲/去捕獲過程產(chǎn)生電容電流，是電池臭名昭著的J-V遲滯的一個主要原因。鑒于界面缺陷對器件性能的有害作用，各種各樣的缺陷鈍化分子被開發(fā)了鈍化界面缺陷，如含N，O，S或者P電子供體的路易斯堿分子、路易斯酸分子、有機(jī)或者無機(jī)鹽、量子點、2D鈣鈦礦等。這些鈍化分子與鈣鈦礦薄膜主要通過配位鍵、離子鍵和范德華鍵進(jìn)行作用。不理想的界面能帶排列作為界面非輻射復(fù)合的一個重要原因：除了界面缺陷，不理想的界面能帶排列也是造成界面非輻射復(fù)合的一個重要原因。一個完美的界面能帶排列不僅有利于高效電荷提取、傳輸和收集，而且有利于減少界面電荷積累和J-V遲滯。據(jù)報道，影響能級排列的因素有很多，如鄰近界面材料的能級位置、界面缺陷、離子遷移、界面不穩(wěn)定性、鄰近界面層的制備條件等。此外，在異質(zhì)結(jié)界面引入界面分子也能顯著影響界面能帶排列和界面載流子動力學(xué)。材料功函移動方向主要取決于電子云密度、偶極矩、空間構(gòu)想、界面材料的分子結(jié)構(gòu)等。各種各樣的界面材料已經(jīng)被開發(fā)來修飾鈣鈦礦太陽能電池中的界面，梯度寬帶隙鈣鈦礦組分的構(gòu)建、量子點、自組裝單分子層、寬帶隙絕緣材料、電荷傳輸材料、有機(jī)小分子等。界面化學(xué)反應(yīng)作為界面非輻射復(fù)合的一個重要原因：除了界面缺陷和不完美的能帶排列，界面化學(xué)反應(yīng)也被證明是造成界面非輻射復(fù)合的一個重要原因。界面反應(yīng)要么是由界面材料之間的直接化學(xué)反應(yīng)造成要么是由鈣鈦礦層中的離子和電荷傳輸層或者電極之間的反應(yīng)造成。界面接觸誘導(dǎo)的界面反應(yīng)可以通過引入化學(xué)惰性的功能分子來抑制。離子遷移或者擴(kuò)散的抑制也能阻止界面化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。通過在界面引入合適的界面層將兩種密切接觸的界面材料從物理上分隔開來阻止界面化學(xué)反應(yīng)行之有效的方法之一。既然空位點缺陷能都輔助離子遷移和離子在晶界和表面比在體相遷移快得多，那么通過鈍化體相和界面缺陷來消除離子遷移的路徑也能夠有效抑制離子遷移或者擴(kuò)散。

基于以上討論，可以得出如下結(jié)論：將界面非輻射復(fù)合損失最小化是實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和無J-V遲滯鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵。鑒于界面分子工程在鈣鈦礦太陽能電池的迅速發(fā)展中所做出的重要貢獻(xiàn)，重慶大學(xué)陳江照研究員和韓國成均館大學(xué)Nam-Gyu Park教授撰寫了一篇關(guān)于界面分子工程的綜述文章，旨在更好引導(dǎo)研究人員朝著實現(xiàn)Shockley–Queisser極限效率和商業(yè)化穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)而努力。

綜述內(nèi)容如下：

（1）從器件結(jié)構(gòu)、工作原理和界面載流子動力學(xué)的角度強(qiáng)調(diào)鈣鈦礦太陽能電池中界面的重要性；

（2）從界面的角度系統(tǒng)深入討論與分析界面非輻射復(fù)合損失的主要原因（如界面缺陷、不完美的能帶排列、界面反應(yīng)、離子遷移等）和相關(guān)的表征方法與技術(shù)；

（3）討論界面非輻射復(fù)合對電池光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和遲滯的影響；

（4）分別從缺陷鈍化、能級排列調(diào)控、界面反應(yīng)抑制和離子遷移抑制的角度歸納、討論和分析消除或者緩解界面非輻射復(fù)合損失的策略方法，討論過程中強(qiáng)調(diào)官能團(tuán)的作用；

（5）對未來如何通過界面分子工程設(shè)計提升電池的效率和穩(wěn)定性進(jìn)行展望。

相關(guān)研究成果以“Materials and Methods for Interface Engineering Towards Stable and Efficient Perovskite Solar Cells”為題發(fā)表在ACS Energy Letters上。

圖文導(dǎo)讀

圖一、界面載流子非輻射復(fù)合損失的主要原因和相應(yīng)抑制策略

文獻(xiàn)鏈接：“Materials and Methods for Interface Engineering Towards Stable and Efficient Perovskite Solar Cells”(ACS Energy Lett. 2020, 10.1021/acsenergylett.0c01240)