Advanced Materials:高效CH3NH3PbI3太阳能电池为什么需要加Br?

有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3中绝大部分的缺陷能级位于导带底和价带顶附近,使得该类材料具有“缺陷容忍性”(defect tolerance)的特征,这显著区别于传统半导体,是其光电转换效率迅速提高的主要驱动力之一。

然而,光电转换效率经历一段快速且史无前例的发展之后,最近增长渐趋缓慢。进一步提高电池效率,使其逼近Shockley-Queisser limit需要对其中相对浓度较小的有害缺陷进行钝化。尽管精准的缺陷钝化是目前高效率钙钛矿电池必不可少的重要环节,但对有害缺陷及其钝化机理的理解却很缺乏。碘空位作为CH3NH3PbI3中典型的有害缺陷之一被广泛研究。然而,对于碘空位有害缺陷的形成机制却不清楚。近期,研究表明载流子复合速率对碘空位的价态极其敏感。消除CH3NH3PbI3中碘空位等深缺陷引起的非辐射复合通道,是进一步提高光电转换效率的途径。

苏州大学能源学院尹万健课题组与湖南农业大学李位教授发现CH3NH3PbI3中的碘空位缺陷从传统半导体理论角度应该是一个浅的施主能级,然而第一性原理缺陷计算表明其却是一个深的受主能级,同时缺陷形成伴随着显著的原子弛豫。这种行为与传统四配位半导体GaAs与CdTe中的有害DX中心极为相似。受到传统半导体DX中心钝化机理的启发,他们采用时域密度泛函理论与非绝热分子动力学相结合的方法,发现Br原子的掺入可以增强化学键的应变能,阻止原子弛豫,从而抑制DX中心的形成。计算结果表明少量Br的引入可以使载流子寿命由3.2 ns (CH3NH3PbI3) 提升至19 ns (CH3NH3Pb(I0.96Br0.04)3),其主要原因在于消除了带间的深能级缺陷态和降低了电声耦合作用。这篇工作加深了CH3NH3PbI3中Br的引入对有害缺陷的钝化机理的理解,同时也为高性能钙钛矿太阳能电池的设计提供了理论基础。 相关论文已发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201906115)上。