Advanced Energy Materials:构建高效钙钛矿光电器件的新思路:纹理多孔钙钛矿形貌掀起的新革命

过去十年,有机-无机金属卤化物钙钛矿由于具有宽光谱响应范围、高消光系数、高载流子迁移率、长电子-空穴扩散距离以及相对简单的制造工艺等优点,已经成为最热门的光伏半导体材料。特别是在太阳电池领域,最高认证效率已经达到25.2%。目前高效率的器件基本都是采用平整光滑无孔洞的高质量钙钛矿薄膜。然而,这种传统的钙钛矿薄膜形貌在光学性质和电荷传输性能上依然存在一定的劣势,如光捕获能力不足、反射率高以及通常电子与空穴需要传输几百纳米才能被收集、与其它功能材料界面接触面积有限等。因此,需要进一步突破光电转化效率的极限,必须另辟蹊径。相对于平整光滑无孔洞的钙钛矿薄膜,新兴的具有特定纹理多孔形貌的钙钛矿薄膜显示出了更强的光捕获能力和电荷收集能力,具有极大潜力进一步突破光伏器件效率极限。

近日,结合团队前期相关工作基础和已有文献报道,中山大学团队和昆士兰大学团队系统巧妙地总结了各种新兴的具有纹理多孔形貌(如珊瑚状、迷宫状、柱状或准核壳结构)的钙钛矿薄膜的结构特点和形成机理,归纳了其用于进一步提升太阳电池和发光二极管器件性能的独特优势,最后展望了其在其它光电器件中的潜在新应用。这篇研究进展首先概述了几种制备纹理钙钛矿形貌薄膜的创新合成策略,包括结合基底诱导和吹气法、溶解-再沉淀法、添加剂辅助法等得到底部致密,顶部粗糙多孔的双层结构钙钛矿薄膜。这种纹理钙钛矿形貌具有无序的多孔结构,可以有效散射入射光,增长光在钙钛矿薄膜内部的光程,展现出优异的光捕获能力。此外,多孔骨架,有助于功能材料更好地渗入到钙钛矿层从而构建体相异质结,有利于界面载流子提取、平衡输运以及实现缺陷钝化。基于纹理形貌的钙钛矿薄膜太阳电池有望突破Shockley–Queisser的效率极限。在发光二极管的应用上,创造了21.6%的EQE效率记录。最后,作者深入浅出地预言了此类纹理多孔形貌的钙钛矿薄膜将会在基于钙钛矿基的高效光电器件掀起一场新革命,指明其在半透明电池基智能窗户、异质结电池、无电荷传输层电池以及钙钛矿基光催化领域的巨大应用潜力。

相关综述论文最近发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201902256)上,题为“The Rise of Textured Perovskite Morphology: Revolutionizing the Pathway toward High-Performance Optoelectronic Devices”。钟均星是文章的第一作者,吴武强博士、王连洲教授和匡代彬教授为共同通讯作者。