Advanced Materials:高度结晶钙钛矿的A位管理

近年来钙钛矿太阳能电池(PSCs)取得了重大进展。有机-无机杂化钙钛矿材料(HOIPs)由于其独特的光电性能与低廉的制备成本在光伏领域引起了广泛的关注。遗憾的是,受钙钛矿晶体质量的限制,进一步缩短与理论值30%的距离仍面临巨大的挑战。通常,HOIP材料的化学式为ABX3,其中A和B分别是不同大小的有机阳离子和金属阳离子,X是与B配位的卤素阴离子。A位有机成分赋予了HOIP材料不同于传统无机钙钛矿的奇异属性,并展现出A位调控的重要意义。其中,组分工程是一种广泛提出的A位调控策略。例如,在A位引入碱金属离子、HC(NH2)2+、CH6N3+和体积较大的有机烷基铵阳离子可以有效调控HIOPs的晶面取向、带隙、环境稳定性和维度,提高了HOIPs的性能并实现了钙钛矿材料系统的多样性。然而,A位点阳离子析出不足而制约钙钛矿晶体质量的核心问题仍然凸显。这是由于无机BX2和有机AX物化性质的差异使其在不同时间尺度上出现不匹配析出,从而诱发大量A位相关缺陷而导致的。到目前为止,过量AX引入、反溶剂诱导沉淀法、真空闪蒸溶液处理法等大量工作均致力于通过不同角度平衡这种过饱和差异而减少A位缺陷。但不可否认,钙钛矿晶体质量仍然受到A位及相关衍生缺陷的极大困扰。因此,探索新型A位管理策略并揭示其调控机制,深入理解A位及相关衍生缺陷对非辐射复合能量损失的影响,对钙钛矿晶体质量进一步优化等瓶颈问题是至关重要的。

近日,北京科技大学张跃教授和康卓副教授团队(共同通讯作者)提出一种通过引入A位占位阳离子实现相转变路径调控进而优化钙钛矿晶体质量的A位管理策略。通过掠入射X射线衍射特征峰的动态变化以及温度依赖性开尔文探针力显微镜表面电势差的演变,实时原位追踪研究钙钛矿的动态结晶过程。通过DFT理论计算、瞬态吸收光谱和深能级瞬态光谱分析,系统研究了钝化的缺陷类型与缺陷态密度变化,实现了钙钛矿结晶度的大幅度改善。此外,在其他混合阳离子钙钛矿体系验证了A位管理策略的普适性。该研究为高结晶钙钛矿的新型合成路线设计提供了思路与指导。相关论文以题为“A‐Site Management for Highly Crystalline Perovskites”在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904702)上。