揭开钙钛矿光伏器件中“埋藏的秘密”
本研究开发了一种钙钛矿多晶薄膜的通用剥离技术。将制备的钙钛矿准光伏器件浸泡在抗溶剂氯苯中，氯苯会溶解底部聚合物传输层，而不影响钙钛矿多晶薄膜。同时，顶部金属电极作为模板可以保证整个薄膜的完整性，最后整个钙钛矿薄膜被剥离露出其底面。
图1。钙钛矿多晶薄膜的剥离技术。a:单价有机/无机阳离子，b: Pb2+和x:卤素阴离子。
通过剥离技术获得完全暴露的钙钛矿多晶膜底面样品。进一步的形貌表征表明，钙钛矿多晶薄膜的底面比顶面具有更大的晶粒尺寸，薄膜的残余卤化铅晶体在底部是片状的，在顶部是小颗粒的。结合顶部和底部的化学成分和电位分布表征，表明底部呈现出比顶部更严重的薄膜横向不均匀性，也反映了溶液生长过程中钙钛矿多晶薄膜的纵向不均匀性。
图二。钙钛矿多晶薄膜上下表面的形貌、成分和电势分布。
此外，对钙钛矿顶部和底部的荧光成像测试表明，底部的荧光整体弱于顶部，存在大量的非辐射复合区——荧光暗区，其中大量的暗区分布在卤化铅荧光区附近，表明除了钙钛矿颗粒底部严重的本征缺陷导致的非辐射复合暗区外，底部大量的卤化铅区域也会加剧钙钛矿颗粒附近的非辐射复合。原位观察还发现，钝化过程中卤化铅信号与荧光暗区消失之间存在时间差。
图3。钙钛矿多晶薄膜上下表面的荧光成像。红色:700-790纳米范围内的荧光；蓝色:500-570纳米范围内的荧光。
图4。原位底部* * *聚焦荧光成像样品制备和钙钛矿底部时间分辨原位荧光成像。
另外，众所周知，异质卤化铵的表面处理方法是近年来实现高质量钙钛矿薄膜和高效率钙钛矿光伏器件的最有效手段，但其机理往往被认为是钙钛矿薄膜顶部附近缺陷的钝化。基于对底部表面性质的深入了解和表征，研究人员发现异质卤化铵的上表面处理也会对底部产生显著影响，改变底部形貌、成分和晶体结构，从而改善底部大量非辐射复合区域。因此，研究人员将这种新的机制定义为:分子辅助的微结构重构，更全面地解释了非均相卤化铵表面处理高效的来源，也证实了多晶钙钛矿薄膜的软晶格性质，从而允许分子从薄膜的顶部向底部渗透扩散，从而实现整膜。
图5。卤化铵表面钝化后钙钛矿薄膜的上下特性。
本工作全面分析了钙钛矿多晶薄膜底界面的微区形貌、化学成分、电子结构和光物理性质。发展起来的多晶薄膜剥离技术和原位聚焦荧光成像技术也将为今后研究多晶薄膜的底部特性提供一个通用平台。研究发现薄膜底部比顶部更不均匀，进一步揭示了薄膜底部大量非辐射复合区的主要来源。最后，阐明了卤化铵上表面钝化策略的真实机理，颠覆了传统认知，为今后器件优化方法的发展和相关分子的设计提供了指导。
在研究工作过程中，剑桥大学的Samuel D. Stranks教授、劳伦斯柏克莱大学的Thomas P. Russell教授、郑州大学的邵教授和沈永龙博士、西北工业大学的黄伟院士和涂永光副教授、南科大的教授等团队对本研究的顺利开展给予了大量的支持和帮助。
该工作也得到了国家自然科学基金委员会、北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室、纳米光电前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、极限光学协同创新中心、“2011计划”量子材料科学协同创新中心、英国工程与自然科学研究委员会(EPSRC)的支持。
纸质链接:
/doi/full/10.1002/adma . 53663667