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我校在钙钛矿半导体材料应用研究领域取得新进展

核心提示: 我校理学院教授谭佐军带领的“光电系统与信息处理”团队和中国科学院武汉物理与数学研究所研究员张嵩团队合作,在钙钛矿半导体材料缺陷钝化及太阳能电池性能提升方面取得新进展。

南湖新闻网讯(通讯员 雷红伟)近日,我校理学院谭佐军教授带领的“光电系统与信息处理”团队和中国科学院武汉物理与数学研究所研究员张嵩研团队合作,在钙钛矿半导体材料缺陷钝化及太阳能电池性能提升方面取得新进展。相关研究成果以“In situ defect passivation with silica oligomer forenhanced performance and stability of perovskite solar cells”为题在Advanced Materials Interfaces发表。

有机金属卤化物钙钛矿半导体材料是一种重要的光电材料,具有可溶液加工、可见光谱区带隙连续可调、荧光单色性高(半高宽小于20nm)以及高荧光量子效率等优异特性。该材料在光电探测、发光、高能射线探测及非线性光学等方面均展现出良好的性能,是光电物理、材料(器件)物理和化学等交叉领域的研究热点。近年来,基于钙钛矿材料为吸光层的太阳能电池得到了科研界和产业界的广泛研究。

研究发现,目前通用的一步溶液法制备的钙钛矿薄膜容易形成配位不饱和的金属阳离子和卤素阴离子,从而导致缺陷态的产生,此类空位缺陷会降低材料的导电性、载流子迁移率和寿命,引起严重的载流子辐射复合和非辐射复合,最终导致钙钛矿材料及相应光伏器件性能衰减。如何消除此类空位缺陷,对于提升钙钛矿材料半导体特性、光伏器件光电转换效率和稳定性显得尤为重要。

针对上述问题,课题组研究人员将正硅酸四乙酯(TEOS)原位掺杂到甲胺甲脒铅碘(MA0.7FA0.3PbI3)基钙钛矿前驱体溶液中,并在钙钛矿薄膜的制备过程中通过水解缩合反应将其转化为二氧化硅低聚物。研究发现,二氧化硅低聚物可以作为钝化剂有效地消除钙钛矿晶界及薄膜表面的空位缺陷,改善薄膜性质并增强器件的性能和稳定性。光谱及电学表征证实,二氧化硅低聚物的钝化使得钙钛矿薄膜晶粒尺寸增大,载流子寿命延长,载流子动力学增强和缺陷态密度降低。第一性原理计算结果表明二氧化硅低聚物可以通过氧原子和钙钛矿的螯合及氢键作用(O-Pb,I-O)有效钝化钙钛矿材料的空位缺陷态。最终基于二氧化硅低聚物钝化的光伏器件获得了19.64%的光电转换效率。与此同时,受益于钝化器件的高疏水性和二氧化硅低聚物对钙钛矿材料卤素离子的稳定作用,钙钛矿电池的稳定性也明显改善。器件在40%湿度下常温储存1000 小时后可以保留90%的初始效率,120℃加速老化2 小时后仍保持87%的初始性能。该研究工作提出了一种有效的二氧化硅低聚物原位钝化策略,为减少钙钛矿中的缺陷、提高器件的效率和稳定性提供了一种重要途径。

我校理学院青年教师雷红伟和理学院硕士研究生戴佩为共同第一作者, 理学院谭佐军教授和中国科学院武汉物理与数学研究所张嵩研究员为共同通讯作者。该研究是理学院“光电系统与信息处理”团队继合成新型高效钙钛矿电池小分子阴极缓冲层之后在钙钛矿电池领域取得的又一重要进展,得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金和我校科技自主创新基金的资助。

审核人:谭佐军

论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202070013

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/nr/c8nr00898a

责任编辑:黄雅姿
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