Advanced Materials:极端光学研究团队实现载流子寿命超过6 µs的多晶钙钛矿薄膜制备

北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学团队”朱瑞研究员和龚旗煌院士等在钙钛矿太阳能电池研究中取得重要进展:通过向钙钛矿薄膜中引入微量的苯甲胺碘(PMAI)锚定分子,调控钙钛矿晶界处的缺陷和电子结构,以实现载流子寿命超过6 μs的多晶钙钛矿薄膜的有效制备,同时优化后的能带结构更利于载流子传输,最终将基于此薄膜的钙钛矿太阳能电池光电转换效率显著提升至23.32%。相关结果发表在《先进材料》上(Superior Carrier Lifetimes Exceeding 6 μs in Polycrystalline Halide Perovskites, Advanced Materials, DOI:10.1002/adma.202002585)。

多晶铅卤钙钛矿薄膜因其成本低廉及光电性能优异等特点,近年来被广泛应用于光伏和光电探测等领域。然而,多晶薄膜的异质性及本征缺陷仍然为自由载流子的非辐射复合提供了丰富的通道,从而限制了薄膜中光生载流子的充分利用。进一步调控优化本征缺陷、提升多晶钙钛矿薄膜的载流子寿命和扩散长度,将有效提升钙钛矿光伏器件的光电转换效率。最近,表面后处理和体相分子掺杂是常见的优化手段,但分别具有后处理溶剂损害、二维组分降低光吸收等不利影响。因此,发展更为有效的无损缺陷调控策略是实现高效稳定钙钛矿光伏器件的关键。

针对这一关键问题和需求,该工作利用两步法将PMAI引入到混合阳离子铅碘钙钛矿(FA1-xMAxPbI3,其中FA为甲脒离子,MA为甲胺离子)薄膜中,优化的最佳PMAI含量为1.28 mol%。时间分辨光致发光(TRPL)结果分析显示,含PMAI的多晶钙钛矿薄膜载流子寿命由314 ns提升至6214 ns,电子/空穴平均扩散长度由~1100 nm增长至5712 nm(电子)和6708 nm(空穴)。X射线衍射(XRD)结果表明PMAI未插入原钙钛矿晶格中,亦未形成二维结构。X射线光电子能谱(XPS)等结果证实了PMAI的苯环向钙钛矿晶体提供富电子氛围。而吸收图谱(UV-vis)和紫外光电子能谱(UPS)等结果表明含PMAI薄膜相比不含PMAI薄膜,光学带隙不变,功函数降低同时价带顶下移,形成更偏“n型”的能带结构。据此,作者提出假设:引入的PMAI分子通过与晶界处的本征缺陷发生静电相互作用而锚定在主体钙钛矿晶体周围,同时作为含苯环基团电子供体可以调节电子结构,还因含胺基而能够填补钙钛矿界面处的有机空位,并与未配位的Pb结合。晶界缺陷的填充抑制了电子和空穴的界面缺陷诱导复合,同时优化的能带结构促进了载流子的有效传输,从而实现了载流子寿命和平均扩散长度的增大。最终,基于优化的薄膜所制备的钙钛矿太阳能电池获得了23.32%的光电转换效率,最小VOC损失不到0.39 V。该工作为提升多晶钙钛矿薄膜的载流子特性提供了新的认识,并为钙钛矿光电器件的优化提供了新的策略。

图1  (a)PMAI分子锚定钙钛矿晶界示意图;(b)多晶钙钛矿实现6 μs以上超长载流子寿命;(c)基于优化后薄膜的钙钛矿光伏器件光电转换效率提升至23.32%。

北京大学博士生杨晓宇和本科生富云齐是文章第一作者,合作单位有西北工业大学、加拿大多伦多大学和山西大学。研究工作得到了国家自然科学基金委、中国博士后科学基金、人工微结构和介观物理国家重点实验室、教育部纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等单位的支持。