π共轭路易斯碱—高效的钙钛矿太阳能电池界面修饰

半导体材料中的缺陷态是限制半导体器件性能提高的主要因素之一。有机—无机杂化钙钛矿作为一种新兴的高性能光伏材料,具有超长的载流子扩散长度,大大降低了其晶体内部的载流子复合。然而其多晶薄膜表面缺陷是不可避免的,表面缺陷态密度通常也比晶体内部要高出几个数量级。因此,如何简单高效地钝化表面缺陷是提高钙钛矿太阳能电池性能的研究重点之一。

以最为常用的杂化钙钛矿材料CH3NH3PbI3为例,CH3NH3PbI3的热稳定性较低,同时其组分CH3NH3I容易从晶体结构中分离,因此在CH3NH3PbI3多晶薄膜制备过程中,不可避免的热退火工艺会分解表面的CH3NH3PbI3生成PbI2,从而形成的大量的未饱和的Pb缺陷。此类缺陷是正电荷缺陷,较容易与富电子的路易斯碱相结合,从而达到钝化缺陷的效果。

AM-huangjinsong

最近,美国内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授课题组采用了一种π共轭的路易斯碱作为钙钛矿太阳能电池的界面修饰材料,该材料可以通过简单地低温溶液加工,理论及实验证明其具有高效地钝化CH3NH3PbI3表面缺陷的能力。与此同时,该类材料也具有很好的n型半导体性能,从而实现了对钙钛矿层光生电荷有效提取。最终,π共轭路易斯碱钝化的钙钛矿太阳能电池器件获得19.5%的光电转化效率。研究中采用的π共轭路易斯碱由合作者北京大学占肖卫教授课题组提供。该研究工作为开发高效的钙钛矿半导体器件界面材料提供了新的设计思路。此类材料不仅应用在太阳能电池中,也可以广泛地应用在光电器件领域,例如超快光探测器、发光二极管等。相关文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604545)上,文章第一作者是黄教授课题组的林禹泽博士。