引言

有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其高的光電轉(zhuǎn)換效率及簡(jiǎn)單廉價(jià)的制備工藝，在光伏領(lǐng)域掀起了新的研究熱潮，是當(dāng)前發(fā)展最快的新一代薄膜光伏器件。已有研究表明在鈣鈦礦形成過程中，施加照明有助于改善界面處形核，并在連續(xù)沉積鈣鈦礦過程中加快離子擴(kuò)散。另一方面，光照也帶來了兩個(gè)主要問題，分別為由于加速的離子遷移誘發(fā)的相分離，以及由于MAI蒸發(fā)引起的鈣鈦礦的分解。因此，僅當(dāng)薄膜表面富含MAI時(shí)，光照才能在鈣鈦礦合成中展現(xiàn)積極的作用，然而光照對(duì)MA陽(yáng)離子和I陰離子的具體影響機(jī)制目前尚不清楚。

成果簡(jiǎn)介

近日，天津理工大學(xué)印壽根教授、西安電子科技大學(xué)常晶晶教授（共同通訊作者）等人在連續(xù)氣相沉積法制備鈣鈦礦薄膜過程中，采用不同波長(zhǎng)的光（紅、綠、藍(lán)和白光）照射輔助鈣鈦礦合成。飛行時(shí)間?二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）及深能級(jí)瞬態(tài)光譜（DLTS）研究結(jié)果表明在無光照條件下，碘會(huì)在鈣鈦礦表面富集，導(dǎo)致器件內(nèi)部出現(xiàn)大量缺陷；白光可以驅(qū)使碘進(jìn)入薄膜體相，使其在薄膜內(nèi)均勻分布，進(jìn)而有效消除缺陷?；诎坠廨o助策略制備的鈣鈦礦器件相比對(duì)照樣展現(xiàn)了更高的光電轉(zhuǎn)換效率及光穩(wěn)定性，三元陽(yáng)離子體系鈣鈦礦電池效率由18.3%提高至20%以上。相關(guān)成果以題為 “Reducing Defects in Perovskite Solar Cells with White Light Illumination Assisted Synthesis” 發(fā)表在ACS Energy Letter上。

圖文導(dǎo)讀

圖一 光源選擇及器件制備示意圖

(a-b) 不同光源的光譜及前驅(qū)膜自身的光吸收。前驅(qū)膜在可見光區(qū)具有非常微弱的光吸收，從而避免了MAI與PbI2反應(yīng)之前入射光的影響；

(c-g) 實(shí)驗(yàn)流程示意圖。

圖二 鈣鈦礦合成過程中的原位電阻測(cè)試

(a) 不同光照條件下鈣鈦礦薄膜的原位電阻測(cè)試結(jié)果。白光下制備薄膜的本征電阻大幅降低，表明薄膜反應(yīng)充分，載流子濃度增加；

(b) 實(shí)驗(yàn)過程中上基板（MAI）和下基板(PbI2)的溫度變化圖；

(c) 解釋電阻測(cè)試結(jié)果的模型示意圖。

圖三 ToF-SIMS深度剖析

(a, b) MIA薄膜（R/G/B）與對(duì)照樣中陰、陽(yáng)離子的ToF-SIMS深度剖析?？梢婋S著光波長(zhǎng)的增加，碘在薄膜內(nèi)部變得更加均勻，而MA則富集在薄膜表面，不利于缺陷的消除；

(c) WIA薄膜（W）與對(duì)照樣中陰、陽(yáng)離子的ToF-SIMS深度剖析。可見白光不但使更多的碘向薄膜內(nèi)部擴(kuò)散，而且消除了表面富集的過量MA，使二者在薄膜內(nèi)部更加均勻，有利于缺陷的消除；

(d) WIA薄膜（W）與對(duì)照樣的XPS深度剖析結(jié)果，與ToF-SIMS結(jié)果吻合。

圖四 不同光照條件下制備的鈣鈦礦電池性能箱式分布圖

(a) MAPbI3器件效率統(tǒng)計(jì)；

(b) FA(Cs, MA)PbI(Br)3器件效率統(tǒng)計(jì)。

圖五 鈣鈦礦器件工作穩(wěn)定性測(cè)試

MPP條件下，器件在不同光源（藍(lán)、綠、紅和白光）照明下的穩(wěn)態(tài)效率輸出，其中曲線顏色代表不同光照下合成的鈣鈦礦（粉色代表白光）。白光器件具有比單色光器件更高的光穩(wěn)定性。

圖六 鈣鈦礦器件的缺陷表征

(a) 不同光照條件下制備的鈣鈦礦電池的深能級(jí)瞬態(tài)譜結(jié)果。紅光和黑暗下制備器件的缺陷最多，而白光（粉線）制備器件的缺陷最少（曲線最平）；

(b-c) 不同光照條件下制備的鈣鈦礦電池的阿爾尼烏斯方法擬合結(jié)果；

(d) 根據(jù)深能級(jí)瞬態(tài)光譜測(cè)試得到的態(tài)密度結(jié)果；

(e) 不同光照條件下制備的鈣鈦礦薄膜的PL光譜。

小結(jié)

研究人員在該工作中對(duì)比了不同波長(zhǎng)的光對(duì)連續(xù)氣相沉積法制備的鈣鈦礦的影響，發(fā)現(xiàn)單色光（紅、綠和藍(lán)）可以引起鹵化物的垂直均勻化分布以及MA在表面的富集；而白光可以促使更多的鹵化物進(jìn)入膜中，并且使過量的MA從表面蒸發(fā)，導(dǎo)致有機(jī)銨鹵化物在薄膜體相中非常均勻的垂直分布。預(yù)先光照處理制備得到的鈣鈦礦器件內(nèi)部缺陷得到有效消除，光穩(wěn)定性大大提高。該白光照明輔助合成策略有效改善了鈣鈦礦的形成，也為更好的鈣鈦礦合成環(huán)境設(shè)計(jì)提供了有效的借鑒和指導(dǎo)。

文獻(xiàn)鏈接：Reducing Defects in Perovskite Solar Cells with White Light Illumination Assisted Synthesis（ACS Energy Lett. 2019, DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02145）

通訊作者/團(tuán)隊(duì)介紹

天津理工大學(xué)印壽根教授現(xiàn)為顯示材料與光電器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。入選百千萬人才工程國(guó)家級(jí)人選、天津市高等學(xué)校特聘教授、天津市“131”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工程第一層次人才、天津市優(yōu)秀留學(xué)回國(guó)人員、天津市學(xué)科領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)帶頭人、國(guó)務(wù)院特殊津貼專家。獲天津市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。主要從事新型半導(dǎo)體材料與器件包括高性能有機(jī)高分子或無機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料、新型太陽(yáng)能器件與儲(chǔ)存、場(chǎng)發(fā)光與顯示、場(chǎng)晶體管器件等方面的研究。先后承擔(dān)國(guó)家基金、科技部“863”計(jì)劃項(xiàng)目、科技部大型儀器專項(xiàng)等二十多項(xiàng)研究課題。已在包括Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Applied Physics Letters、Journal of Materials Chemistry A等雜志上發(fā)表論文130余篇。印教授領(lǐng)導(dǎo)的有機(jī)光電器件團(tuán)隊(duì)近年來在鈣鈦礦器件制備方面的工作已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)3項(xiàng)，發(fā)表SCI論文十余篇。

西安電子科技大學(xué)常晶晶教授，中組部第十二批“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目入選者，中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”入選者，陜西省科協(xié)托舉人才，陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)核心成員等。主要從事有機(jī)半導(dǎo)體、寬禁帶氧化物半導(dǎo)體及鈣鈦礦材料在電子器件和光電器件等方面的研究。主持參與了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、軍委科技委前沿創(chuàng)新項(xiàng)目、校企合作橫向項(xiàng)目等二十余項(xiàng)課題。近幾年在Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition等國(guó)際期刊上發(fā)表SCI論文120余篇，其中一作及通訊70余篇，研究成果被Materials Views China、Synfacts、X-MOL等網(wǎng)站作為研究亮點(diǎn)進(jìn)行報(bào)道，授權(quán)美國(guó)發(fā)明專利一項(xiàng)，申請(qǐng)中國(guó)專利20余項(xiàng)。目前課題組在鈣鈦礦界面工程、薄膜鈍化、理論計(jì)算、器件仿真等方面做了一些代表性工作，發(fā)表SCI論文40余篇。

詳見個(gè)人主頁(yè)：

https://web.xidian.edu.cn/jjingchang/

本文由嚕嚕編譯。