Nano Energy：首次利用扫描探针显微镜系统性剖析钙钛矿量子点电池的界面电势特性

背景介绍：

目前，金属卤族钙钛矿薄膜材料因吸收边缘尖锐、载流子寿命长、缺陷容忍度高以及物化性质可调控性强等，已在光伏领域展现出了极大的发展潜力。纳米尺度下的钙钛矿材料如钙钛矿胶体量子点材料也表现出了优异光电性能，并且兼具量子限域效应和压力应变性质等特性，引起了众多研究者的关注。但是，钙钛矿量子点太阳能电池的发展仍面临诸多问题，例如，尽管钙钛矿量子点电池与钙钛矿薄膜太阳能电池相比，具有较高的开路电压和较多的电池结构可能性，但器件的短路电流一般比较低，器件的整体性能欠佳，此外，p-i-n结构的钙钛矿薄膜太阳能电池与n-i-p结构的相应器件具有相当的光电转换效率，并广泛应用于钙钛矿材料稳定性的研究以及多结太阳能电池的构建，但p-i-n结构的钙钛矿量子点太阳能电池则一般明显低于相应n-i-p结构的量子点器件。因此，从器件的本征电子特性入手，探明造成以上难题的关键性因素至关重要。明确钙钛矿量子点太阳能电池内部的电势结构，不仅可深化理解钙钛矿量子点器件中电荷分离与传输机制，为制定有效提升器件性能的方案提供依据，还可对组建高效的p-i-n钙钛矿量子点电池有重要的指导作用。

成果简介：

近期，美国国家可再生能源实验室Joseph M Luther团队与Mowafak M.Al-Jassim团队合作，采用纳米级开尔文探针显微镜技术，深度剖析钙钛矿量子点太阳能电池异质结电势结构，为器件中电荷传输材料的选择提供了理论依据。通过测定不同电池结构下，不同电荷传输材料形成的界面电势，揭示了钙钛矿量子点太阳能电池中各个异质结的独立特性。对于高性能的n-i-p钙钛矿量子点太阳能电池，在电子传输层界面和空穴传输层界面都表现出了较强电场。但对于p-i-n钙钛矿量子点太阳能电池，在其空穴传输层界面处未能形成有效电场，即界面存在严重的电荷复合，这揭示了相应p-i-n器件与n-i-p器件相比性能较差的原因。此外，本工作还展示了钙钛矿量子点材料可与钙钛矿薄膜材料协同作用，其界面的可适性和可靠性相对较好，为光伏器件的结构设计提供了更多可能性。

相关研究发表于Nano Energy上，论文第一作者为美国国家可再生能源实验室肖传晓博士和南开大学赵乾博士，通讯作者为美国国家可再生能源实验室Joseph M Luther研究员和肖传晓博士。

图文导读：

图1开尔文探针显微镜对经典n-i-p钙钛矿量子点太阳能电池的表征。a, KPFM技术示意图，用扫描探针方法扫描电池截面；b，扫描电子显微镜与开尔文探针显微镜在同一电池上的结果，该测试运用对电池加偏压的方法，导致能级变化，来获取高空间分布率的电池内部电场特性；c，相应KPFM图谱；d，相应的电池I-V曲线与参数。

图2开尔文探针显微镜对缺失电荷传输层的量子点电池进行表征。a和d，器件缺失电子传输层，则无法在前电极处形成有效电场；b和e，器件缺失空穴传输层，则无法在背电极处形成有效电场；c和f，器件缺失电子和空穴传输层，无法形成电场完成载流子传输。

图3开尔文探针显微镜研究不同电荷传输层对有效电场形成的影响。a和c，用SnO₂作为电子传输层，发现SnO₂无法与钙钛矿形成有效电场，从而电池效率变低；b和d，用PTAA作为空穴传输层，电池结果与图1经典结构类似。

图4开尔文探针显微镜对p-i-n结构钙钛矿量子点和钙钛矿量子点/钙钛矿薄膜电池进行表征。a和c，在p-i-n结构钙钛矿量子点电池中，PTAA无法与钙钛矿量子点层形成有效电场，抑制了电荷的分离与传输，界面复合严重；b和d，钙钛矿量子点/钙钛矿薄膜电池中， PTAA与钙钛矿薄膜吸光层之间形成有效电场，电池效率显著提升。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105319

本文由作者团队供稿。