InfoMat:高效钙钛矿太阳能电池晶界势垒、掺杂浓度和陷阱态密度的纳米级控制

在过去的几年中,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率突飞猛进。同时,有机铅卤化物钙钛矿材料作为活性材料在诸如发光器件、光电探测器等光电器件中获得广泛应用。作为关键光吸收材料,钙钛矿层本质上是多晶的、存在具有多个晶界。通常,晶界将两个晶体结构和化学组成相同、但具有不同取向的相邻晶粒分离,是半导体中的缺陷。晶界中的晶体缺陷和杂质会产生带隙内的局部能量状态,这些状态通常是电荷载流子的复合中心,能捕获来自松散材料的电子和空穴,导致太阳能电池等器件性能下降。此外,水分能够沿着晶界的边缘穿透钙钛矿,从而导致钙钛矿降解。因此,钙钛矿太阳能电池器件的效率以及稳定性都与钙钛矿薄膜中的晶界密切相关,对晶界的深入研究已经成为钙钛矿太阳能电池领域的热点。目前,对有机铅卤化物钙钛矿和器件操作在不同湿度下的基本材料性能的理解仍然是有限的。因此,更深入地理解湿度和晶界状态的协同作用对钙钛矿的降解机理,对于设计钙钛矿光伏器件的器件结构/几何结构,提高器件稳定性方面非常重要。

美国南达科他州州立大学乔启全教授,上海交通大学宰建陶副教授、钱雪峰教授,天津理工大学梁茂教授研究了钙钛矿薄膜晶界在不同湿度环境下的电位、掺杂密度和填充陷阱态密度变化。证明了钙钛矿薄膜晶界电位、掺杂密度和填充陷阱态密度可以在纳米尺度上通过暴露于不同的相对湿度水分来制备高效的钙钛矿太阳能电池。即通过湿度调控实现了高效钙钛矿太阳能电池晶界势垒、掺杂浓度和陷阱态密度的纳米级控制。当湿度由0%提高到25%,钙钛矿膜的平均势垒,掺杂密度和填充陷阱态密度逐渐减少;随着湿度继续增加到35%和45%,钙钛矿膜的平均势垒,掺杂密度和填充陷阱态密度逐渐增加。该结果清楚的表明在25%湿度条件下制备钙钛矿薄膜能够获得最低的平均势垒,掺杂密度和填充陷阱态密度。从而使电池在25%湿度下获得了更高的光电转化效率。该研究也表明,湿度环境在影响钙钛矿光伏光电性能方面的有益作用/作用。 相关工作发表在 InfoMat. 2019;1–15.(DOI:10.1002/inf2.12055)