有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中的离子传输研究取得进展:低电场下的甲胺离子移动首次被证实

16近几年,对有机金属三卤化物钙钛矿太阳能电池的研究呈现爆炸式增长。与传统晶体硅太阳能电池相比,以碘铅甲胺(Methylammonium lead halide,MAPbI3)为代表的钙钛矿太阳能电池用溶液法即可制备,生产过程中不需要 200 摄氏度以上的高温处理和严格控制掺杂浓度,生产成本低于硅基太阳能电池,被视为硅基太阳能电池技术的有力竞争者。钙钛矿太阳能电池的能量转换效率在短短 6 年内已从 3.8%提高到 20.1%。然而,在钙钛矿太阳能电池效率取得重大进展的同时,人们在研究中发现器件的“电流-电压特性曲线”以及测量到的能量转换效率与扫描电压的方向及速度有密切关系(迟滞现象)。这种迟滞现象不仅影响对器件性能的准确评估,而且其产生根源也可能是制约器件效率和稳定性的因素之一。美国内布拉斯加大学林肯分校黄劲松教授团队第一次提出了离子电迁移作为迟滞现象的产生机制。在此研究结果在被自然材料(Giant Switchable Photovoltaic Effect in Organometal Trihalide Perovskite Devices,Nature Materials, 14, 193-198 (2015)报道之后,学术界普遍好奇MAPbI3薄膜中的可动离子是什么。

近日,黄劲松教授团队,包括研究科学家袁永波博士,与美国国家标准技术研究所的合作者(National Institute of Standards and Technology, NIST)采用了一种基于原子力显微镜的技术(Photothermal induced resonance , PTIR)对电场下的MAPbI3薄膜进行原位研究。结果表明MAPbI3薄膜中存在大量可移动甲胺(MA+)离子。一些研究组对MAPbI3薄膜中的离子传输开展了理论计算分析,但注意力多放在碘离子移动上(不同计算方法得的碘离子移动激活能介于0.08 eV和0.6 eV之间)。黄劲松教授团队的研究结果则首次为甲胺离子移动提供了直接的实验证据。

该团队的研究还表明MAPbI3薄膜中的甲胺离子移动非常容易,且离子移动对薄膜电学性能影响显著——这一发现为迟滞现象的存在提供了合理解释。通常在钙钛矿太阳能电池中存在约2-4 V µm-1的内建电场,该团队的研究结果表明更微弱的电场(0.3 V µm-1)即可使甲胺离子发生长距离移动。研究测定甲胺离子的移动激活能大约为0.36 eV。开尔文探针测量表明,离子的移动和积累所导致的电学掺杂效应可在MAPbI3薄膜中形成方向可控的p-i-n结。这一结果同时也进一步解释了该团队不久前在钙钛矿太阳能电池中发现的可翻转光伏效应。相关结果发表在Advanced Energy Materials, 2015, DOI: 10.1002/aenm.201500615。

钙钛矿材料中的离子移动和电学掺杂现象可以为进一步提高钙钛矿电池效率和新型元器件(如忆阻器元件)的设计和开发提供新技术和新思路。

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