中科院上海應(yīng)用物理研究所：鈣鈦礦薄膜表面結(jié)晶晶相優(yōu)化

引言

近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以其更加清潔、便于應(yīng)用、制造成本低和效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，迅速成為國(guó)際上科研和產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)此類(lèi)器件的市場(chǎng)化應(yīng)用需要進(jìn)一步解決鈣鈦礦薄膜質(zhì)量難以控制、缺陷態(tài)密度高以及器件遲滯效應(yīng)等一系列問(wèn)題，特別是研究表明鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中的微小缺陷會(huì)妨礙光能轉(zhuǎn)化為電能，是限制鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

成果簡(jiǎn)介

近日，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所高興宇研究員（通訊作者）、楊迎國(guó)助理研究員（第一作者）、馮尚蕾副研究員（共一）和蘇州大學(xué)李萌博士（共一）等開(kāi)發(fā)出一種新型鈣鈦礦薄膜表面鈍化工藝，極大減少鈣鈦礦薄膜特別是其表面的微小缺陷，大幅提升甲胺鉛碘（MAPbI3）基器件的光電效率達(dá)到19.94%，相關(guān)研究結(jié)果以 “Enormously improved CH3NH3PbI3film surface for environmentally stable planar perovskite solar cells with PCE exceeding 19.9%” 為題發(fā)表在該領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊Nano energy上。研究人員利用上海光源BL14B衍射線(xiàn)站的表面衍射觀測(cè)到傳統(tǒng)反溶劑方法制備的鈣鈦礦薄膜表面結(jié)晶呈現(xiàn)多重孿晶，是制約其器件光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。鑒于此，他們開(kāi)發(fā)了一種“缺陷快速補(bǔ)償”工藝，即在鈣鈦礦薄膜制備中的反溶劑處理環(huán)節(jié)添加鹵素源碘化氫，采用多種同步輻射和常規(guī)表征技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究證明鈣鈦礦薄膜表面結(jié)晶得到有效鈍化，呈現(xiàn)出純相結(jié)晶、無(wú)針孔、化學(xué)元素分布均一、表面勢(shì)分布梯度小等優(yōu)點(diǎn)，從而大幅提升甲胺鉛碘基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率及器件在濕度、加熱條件下的環(huán)境穩(wěn)定性。有趣的是，采用該工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在外應(yīng)力環(huán)境下也能保持很高的性能穩(wěn)定性，而進(jìn)一步的同步輻射原位拉伸實(shí)驗(yàn)證實(shí)這與薄膜表面晶粒的緊密絞聯(lián)、缺陷大幅較少密切相關(guān)。文章最后從占位化學(xué)的角度揭示其反應(yīng)機(jī)制。

圖文導(dǎo)讀

圖1 鈣鈦礦薄膜鈍化工藝及器件光電轉(zhuǎn)化性能

a) “缺陷快速補(bǔ)償”工藝流程圖；b-f）HI添加比例選擇及器件J-V輸出；g）器件SEM截面。

圖2 鈣鈦礦薄膜微結(jié)構(gòu)的同步輻射掠入射XRD表征

a)和c）參考鈣鈦礦薄膜表面和體的同步輻射掠入射二維XRD圖；b)和d）添加1.25 vol%氫碘酸處理后的鈣鈦礦薄膜表面和體的同步輻射掠入射二維XRD圖；e-i）薄膜的結(jié)晶、晶面擇優(yōu)取向及晶面堆疊情況對(duì)比分析。

圖3 優(yōu)化前后鈣鈦礦薄膜表面形貌、元素分布、表面勢(shì)分布情況

a-b) 添加1.25 vol%氫碘酸優(yōu)化處理前后鈣鈦礦薄膜的SEM表面形貌對(duì)比；c-f）添加1.25 vol%氫碘酸優(yōu)化處理前后鈣鈦礦薄膜的電子探針?lè)治?；g-h）添加1.25 vol%氫碘酸優(yōu)化處理前后鈣鈦礦薄膜的SKPM分析。

圖4 優(yōu)化前后鈣鈦礦薄膜和器件的環(huán)境穩(wěn)定性對(duì)比

a-d) 添加1.25 vol%氫碘酸優(yōu)化處理前后鈣鈦礦薄膜在濕度環(huán)境下的同步輻射XRD測(cè)試及相轉(zhuǎn)變分析；e-f）薄膜SEM表面形貌對(duì)比；g）優(yōu)化處理前后的器件效率衰減對(duì)比。

圖5 優(yōu)化前后的柔性鈣鈦礦薄膜和器件的機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)比

a-b）添加1.25 vol%氫碘酸優(yōu)化處理前后柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能隨外加載力的演化對(duì)比；c）柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的同步輻射原位拉伸XRD實(shí)驗(yàn)裝置；d-g）優(yōu)化處理前后柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的內(nèi)部的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)隨外加載力的演化對(duì)比。

小結(jié)

研究人員通過(guò)“缺陷快速補(bǔ)償”法制備出了高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，即單相結(jié)晶、無(wú)針孔、化學(xué)元素分布均一、表面勢(shì)分布梯度小等，將甲胺鉛碘鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至19.94%，并且器件的濕度、熱及力學(xué)穩(wěn)定性也得到大幅提升。該工作將為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化提供重要的實(shí)驗(yàn)和理論支撐，也有助于可穿戴柔性器件的開(kāi)發(fā)。