钙钛矿太阳能电池中晶面依赖的异质界面载流子动力学
发布时间：2025-03-05来源：
【文章信息】 钙钛矿太阳能电池中晶面依赖的异质界面载流子动力学 第一作者：张鹏翔 通讯作者：朱城，唐刚，张文凯 单位：北京师范大学，北京理工大学 【研究背景】 多晶钙钛矿薄膜的取向调控已被证明是制备高效稳定光伏器件的有效策略，因为它能够增强载流子迁移率、减少结构无序和缺陷态，并提高离子迁移活化能。然而，不同取向的薄膜具有多样的表面终端和复杂的缺陷态，其对界面载流子动力学的影响机制仍不清楚，这制约了器件性能的进一步提升。理解界面载流子动力学及表面结构的相互作用对提升钙钛矿太阳能电池性能至关重要。 【文章简介】 近日，来自北京师范大学的张文凯教授，北京理工大学的朱城助理教授和唐刚副教授，在知名SCI期刊Advanced Functional Materials上发表了题目为“Carrier Dynamics of facet-Dependent Heterogeneous Interfaces in High-Performance Perovskite Solar Cells”的文章，文章系统研究了不同晶面取向的钙钛矿薄膜与电荷传输层之间的界面载流子行为，揭示了晶面依赖的表面终端、界面构型及缺陷态对载流子提取的竞争机制，为提升钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性提供了新的理论依据。基于此，研究团队成功制备了具有高达25.26%光电转换效率（PCE）的太阳能电池，同时具备良好的稳定性，在最大功率点跟踪400小时后仍保持了90%以上的初始效率。 【本文要点】 要点一：晶面取向对载流子提取的影响 作者揭示了(001)和(111)取向钙钛矿薄膜与SAM形成的异质界面处的载流子动力学差异，即(001)/SAM异质界面的载流子提取能力远大于(111)/SAM异质界面，且同一取向的钙钛矿其上下界面的载流子提取能力也相差很大。作者通过瞬态吸收光谱（TA）和时间分辨光致发光光谱（TRPL）分析了载流子提取过程，结果表明，(001)顶部界面的载流子提取时间最短（0.57 ns），显著优于(111)顶部界面（1.32 ns）、(001)埋底界面（3.61 ns）及(111)埋底界面（5.87 ns）。作者认为，这种界面载流子提取能力的差异是由能带对齐、界面偶极子以及缺陷诱导的非辐射复合决定的。 图1. 取向诱导的界面载流子提取差异。 要点二：相同取向钙钛矿不同界面载流子动力学存在差异 作者进一步通过分析(001)取向钙钛矿薄膜的顶部界面和埋底界面载流子动力学行为，揭示了同一取向钙钛矿不同界面载流子提取速率的差异及其影响因素。研究发现，(001)顶部界面的载流子提取启动时间（~50 ps）显著早于埋底界面（~1000 ps），表明顶部界面具有更快的提取速率。光致发光量子产率（PLQY）和准费米能级分裂（QFLS）测试表明，(001)埋底界面缺陷密度较低，但其载流子提取效率较差，主要归因于其界面构型对应的能带对齐较差。相比之下，(111)埋底界面由于缺陷诱导的非辐射复合导致载流子提取速率更低。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，(001)顶部界面的强界面偶极和分子轨道重叠促进了载流子的高效传输。 图2. 相同取向钙钛矿顶部界面和埋底界面载流子动力学差异机制。 要点三：不同取向钙钛矿表面载流子动力学存在差异 作者通过对比(001)和(111)取向钙钛矿薄膜的界面特性，揭示了晶面依赖的表面终端对载流子动力学的影响。研究发现，(111)薄膜由于缺陷态导致的非辐射复合损失，使得其PLQY和QFLS较低（0.3%，1.07 eV），而(001)薄膜的PLQY和QFLS较高（5.3%，1.17 eV）。表面电位分析（KPFM）表明，(001)顶部界面的接触电位差（CPD）分布更窄，缺陷密度较低，而(111)界面存在更多深能级缺陷。密度泛函理论（DFT）计算也进一步证实了(111)界面引入了额外的缺陷态，而(001)界面保持了与体相相似的电子分布。这些结果表明，(111)取向薄膜的载流子提取效率较低，主要归因于缺陷态引起的非辐射复合。 图3. 不同取向钙钛矿表面缺陷态导致的载流子动力学差异。 要点四：优化异质界面提升载流子提取速率和器件稳定性 作者基于(001)和(111)取向的钙钛矿薄膜制备了p-i-n结构的太阳能电池，研究了载流子动力学对器件性能的影响。最佳的(001)-PSCs的PCE达到了25.26%，显著高于(111)-PSCs的22.13%。(001)-PSCs的开路电压（VOC）和填充因子（FF）分布更优，归因于其优异的能带对齐、强界面偶极和低缺陷密度。电致发光（EL）效率测试表明，(001)-PSCs的EL效率为3.2%，远高于(111)-PSCs的0.3%，表明其缺陷态密度较低。此外，(001)-PSCs在正反向扫描下的J-V滞后效应较小，且在最大功率点跟踪400小时后仍保持90%的初始效率。这些结果证明，通过优化晶面取向，构建合理的界面构型，可以有效抑制界面缺陷，改善能带对齐，从而提升异质界面载流子提取速率和器件稳定性。 图4. 钙钛矿太阳能电池性能和稳定性。 致谢： 作者非常感谢深圳翊阳科技有限公司和上海复享光学股份有限公司对提供QFLS测量设备（Lumin QY）的支持。 【文章链接】 Carrier Dynamics of facet-Dependent Heterogeneous Interfaces in High-Performance Perovskite Solar Cells https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202422783
