赵婉亘/刘生忠Adv. Mater.: 极性化合物调控介电系数实现高效CsPbI3太阳能电池

• 【导读】

钙钛矿太阳能电池是近年来研究的热点，其效率在短短几年间实现了大幅增长。然而，由于钙钛矿晶体形成能较低，因此材料内部容易形成空位、间隙离子、反位离子等缺陷。这些缺陷不仅会加速载流子的非辐射弛豫也是造成钙钛矿相变和分解的主要原因。虽然对钙钛矿材料中缺陷的种类已有较为广泛的研究，但是针对不同缺陷对载流子的俘获能力的研究仍处于起步阶段。

• 【成果掠影】

近日，陕西师范大学赵婉亘/刘生忠团队在Advanced Materials发表了新的研究论文，通过深能级瞬态光谱系统的研究了CsPbI₃钙钛矿太阳能电池中的缺陷能级、类型以及对载流子的俘获能力并提出了F^-离子钝化提升器件性能和稳定性的策略。该研究表明，在CsPbI₃太阳能电池中，缺陷主要是Pb²⁺和I^-离子的反位缺陷和间隙Pb²⁺离子。通过引入F^-离子，在晶体表面形成具有永久偶极矩的氟化物钝化层，提升了钙钛矿薄膜的介电系数进而抑制了缺陷对载流子的俘获。同时，利用氟化物层的疏水性还能起到隔绝水汽的作用从而提升了器件的稳定性。经氟化物改性后，器件效率和填充系数分别达到20.5%和82.87%并具有良好的稳定性。

相关研究文章以“Polar Species for Effective Dielectric Regulation to Achieve High-Performance CsPbI₃Solar Cells”为题发表在Advanced Materials上。

• 【核心创新点】

(1) 系统的研究了不同缺陷对载流子的俘获能力。

(2) 构建具有永久偶极的氟化物层，提升钙钛矿薄膜的介电系数，从而抑制缺陷对载流子的俘获。

• 【数据概览】

图1. 氟化处理前后钙钛矿薄膜的介电和缺陷性质 ©2022 Wiley-VCH GmbH

图2. 形成表面极性钝化层后钙钛矿薄膜的性质 ©2022 Wiley-VCH GmbH

图3. 缺陷性质表征和载流子迁移性 ©2022 Wiley-VCH GmbH

图4. 器件光伏性能和稳定性表征 ©2022 Wiley-VCH GmbH

图5. 载流子输运动力学 ©2022 Wiley-VCH GmbH

• 【成果启示】

综上，通过改变钙钛矿薄膜的介电响应，减弱缺陷和载流子间的库仑相互作用，可以进一步提升对载流子的抽取，为获得高性能钙钛矿太阳能电池提供了新的思路。

文章链接：Polar Species for Effective Dielectric Regulation to Achieve High-Performance CsPbI₃Solar Cells. Adv. Mater, 2022, https://doi.org/10.1002/adma.202202735.