第一作者：Zhenyi Ni
通訊作者：黃勁松
通訊單位：北卡羅來納大學(xué)
金屬鹵化物鈣鈦礦（MHP）的光伏性能主要?dú)w因于其高的光吸收系數(shù)，高的載流子遷移率，長的電荷擴(kuò)散長度和小的Urbach能量。考慮到在大部分鈣鈦礦中，點(diǎn)缺陷一般具有較低的形成能，并且不形成深電荷陷阱。因此，早期的時候研究人員認(rèn)為MHPs的缺陷耐受性在很大程度上決定了其優(yōu)異的載流子傳輸和特殊復(fù)合性能。后來的理論研究表明，鈣鈦礦材料表面和晶界的結(jié)構(gòu)缺陷會引起深電荷陷阱，這進(jìn)一步指導(dǎo)了鈣鈦礦太陽能電池鈍化技術(shù)的發(fā)展，但這只是間接推斷所得出的結(jié)論。
非輻射復(fù)合過程還會導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池的能量損失，這與鈣鈦礦中由缺陷引起的陷阱態(tài)密切相關(guān)。電荷陷阱狀態(tài)還對鈣鈦礦太陽能電池和其他器件中的降解行為起著重要作用。因此，了解陷阱能級在空間和能量中的分布，是了解電荷陷阱對鈣鈦礦材料和器件中電荷傳輸和復(fù)合的影響的最基本要素之一。
有鑒于此，北卡羅來納大學(xué)黃勁松團(tuán)隊報道了金屬鹵化物鈣鈦礦單晶和多晶太陽能電池中陷阱的空間和能量分布的概況。
圖1. DLCP技術(shù)
研究表明，在單晶中，缺陷密度變化范圍之大，相差五個數(shù)量級，最低值為2×1011 cm-3，并且大多數(shù)深陷阱位于在晶體表面。多晶膜界面所有深度的電荷陷阱密度分別比薄膜內(nèi)部大1-2個數(shù)量級，并且薄膜內(nèi)部的陷阱密度仍比優(yōu)質(zhì)單晶大2到3個數(shù)量級。
令人驚訝的是，表面鈍化之后，在鈣鈦礦和空穴傳輸層的界面附近發(fā)現(xiàn)了最深的陷阱，這里存在大量的納米晶體，很大程度上限制太陽能電池的效率。
圖2. MAPbI3單晶薄膜中的陷阱空間分布
圖3. 厚度決定MAPbI3單晶薄膜中的陷阱分布
研究人員模擬了帶隙為1.50和1.47 eV的鈣鈦礦薄膜太陽能電池，這與FA0.92MA0.08PbI3和FAPbI3的穩(wěn)定組成相對應(yīng)。假設(shè)這些材料具有與常規(guī)多晶MAPbI3薄膜相同的陷阱密度，則器件的PCE為22.5和22.8％。當(dāng)薄膜中的陷阱密度降低到與單晶中的陷阱密度相同時，效率可能會更高，分別增加到27.7％和28.4％。
圖4. 鈣鈦礦薄膜中的陷阱的空間和能量分布
總之，這項研究為深入理解鈣鈦礦電池效率的機(jī)制提供了新的見解，將進(jìn)一步促進(jìn)更高效和更高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
Zhenyi Ni et al. Resolving spatial andenergetic distributions of trap states in metal halide perovskite solar cells,Science 2020, 367, 1352-1358。
http://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352
