三元阳离子混合卤化物钙钛矿光伏迟滞的纳米尺度研究:解析极化和离子迁移的作用

自2009年作为光吸收剂/光敏剂首次进入人们视野后的近十年来,钙钛矿材料在太阳能电池领域受到广泛关注。尤其是近几年,随着对混合有机-无机钙钛矿太阳能电池研究持续升温,其光电转换效率和稳定性不断提升,制备成本不断降低,在能耗和器件可塑性方面的表现亦可圈可点。然而,钙钛矿太阳能材料在测试和应用中表现出的复杂耦合效应仍是制约其进一步投入商用的关键因素,其背后的物理机制亟待厘清,其中一个代表性问题就是伏安测试中普遍存在的电流迟滞现象。针对这一问题,已有的研究通常着眼于在非极性或者极性较弱的钙钛矿材料,证实光致离子运动是导致迟滞产生主要原因,而可能存在的极性对光电性能的影响机理仍不得而知。

图 光电扫描探针显微技术示意图(左图)、局域光致极化增强(中图)、光照前后单点一阶、二阶压电响应对比(右图)

华盛顿大学李江宇教授课题组、中国科学院深圳先进技术研究院纳米调控与生物力学研究中心、浙江大学陈伟球教授课题组以及石家庄铁道大学赵晋津教授课题组联合研究团队针对三元阳离子混合卤化物钙钛矿太阳能电池材料展开研究,从纳米尺度解析极性与光伏迟滞之间的关系。研究组通过旋涂法制备出高质量三元阳离子混合卤化物钙钛矿材料,并采用压电力显微技术和光电流显微技术来分别表征其明暗两种状态下局域压电响应和伏安测试下的局域光电响应。首先从局域压电响应分布观察到材料受到光照后响应明显增强(增幅超过100%),然后在同一区域选取五个位置分别测量明暗两种状态下的一倍频和二倍频响应,通过对比分辨铁电极化和离子迁移的相对贡献。他们发现在光照下,一倍频响应显著增加,响应的品质因子有所增强,共振频率略有降低,而对应的二倍频响应没有显著改变,从而确认光致极化增强效应而离子运动在光照下并无显著改变。为进一步揭示极化增强对光电性能的影响,研究组利用光电流显微技术结合主成分分析法测量并分析纳米尺度下的局域JV曲线,没有发现明显的光伏迟滞现象,这一结果也与同类样品在宏观器件层面的数据互相印证。该工作表明我们可以通过铁电极化的设计,促进光生载流子分离而不必担心对其光伏迟滞产生不利影响,为进一步提升钙钛矿太阳能电池性能提供启发。

论文在线发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201902870)。