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揭开钙钛矿薄膜"埋藏的秘密

面对可再生能源需求,钙钛矿太阳能电池凭借低成本、高转换效率优势成为下一代光伏技术研究热点。近日,北京大学与英国萨里大学团队合作论文在《先进材料》刊发并引发业界广泛关注。

“该成果为认知钙钛矿埋底界面提供了高效研究平台,为发展钙钛矿高效钝化技术提供了新的研究思路,同时也为提升钙钛矿电池性能提供了先进的理论指导。”论文通讯作者、中国科学院院士、北京大学博雅讲席教授龚旗煌告诉《中国科学报》。

“这是首次对钙钛矿底界面性质的全面深入研究,将更新整个领域对多晶钙钛矿薄膜的理解,并推动领域对钙钛矿底界面性质进行充分挖掘探索。”提及论文贡献,通讯作者、英国萨里大学教授张伟评价道。

攻关:打开埋底界面的“黑匣子”

高效率钙钛矿太阳能电池通常以钙钛矿多晶薄膜作为光活性层,而钙钛矿多晶薄膜上下两个界面通常被认为是缺陷富集区域,是限制钙钛矿光伏器件效率提升的主要因素。

在过去十多年的发展中,大量研究工作集中在钙钛矿薄膜上表面性质及优化上,对薄膜上表面的认知也逐渐完善成熟;而对于隐埋的、非暴露的底界面则缺乏更加深入的认识与理解。同时,对于溶液生长的多晶钙钛矿化合物半导体薄膜,大量研究都是用薄膜上表/界面表征结果间接推断底界面性质,缺乏严谨的科学性。

“相对于成熟的上表/界面研究,钙钛矿薄膜的埋底界面对广大研究者来说仍然是一个深埋的、没有打开的‘黑匣子’。”论文通讯作者、北京大学物理学院现代光学研究所研究员朱瑞介绍了领域内有关钙钛矿底界面研究的滞后情况。

基于多年来对高性能钙钛矿太阳能电池及钙钛矿多晶薄膜性质积累的扎实研究基础与丰富研究经验,北京大学团队联合萨里大学团队对此难题展开攻关。他们首先通过“反溶剂牺牲聚合物传输层+金属软模板支撑”的方式将已沉积的钙钛矿多晶薄膜底界面暴露出来,借助系列表界面表征,首次真正“看清”了底部的细节。

该团队又进一步发展了一种底面原位荧光成像技术,可视化发掘了薄膜底界面非辐射复合损失来源,并首次建立起底部“微结构—光电性质”关系,最终得到了一幅完整清晰的钙钛矿底界面物化图像。

朱瑞表示,他们通过对钙钛矿光伏器件“埋底界面”开展系统深入研究,阐明了“埋底界面”中“微结构—化学分布—光电功能”的科学关系,建立起钙钛矿光伏器件“埋底界面”可视化研究平台,为钙钛矿多晶薄膜未来钝化技术发展和钝化分子设计提供了指导。

剖析:“上下贯通”的表面钝化

确定钙钛矿底界面损失来源,进一步消除底界面损失从而改善整个钙钛矿薄膜质量,是制备高效率电池的必经之路。

“2018年,我们联合团队通过卤化铵上表面钝化技术创造了反式结构钙钛矿太阳能电池效率的世界纪录。”朱瑞介绍说,“基于对这项工作的深入理解,我们想尝试一下,通过卤化铵上表面钝化技术,能否对钙钛矿薄膜底界面有改善作用。”

借助于系列底面研究技术,该团队进一步对经过卤化铵上表面钝化后的多晶薄膜进行分析,发现上表面钝化后的薄膜,其底界面的损失来源几乎全部钝化消失,呈现出一个非常“干净”的底界面。

“上表面钝化后,薄膜底界面竟然发生了明显变化。”论文作者之一、北京大学博士研究生杨晓宇说,“我们的实验结果与卤化铵上表面钝化的常规机理认知有较大偏差,钙钛矿薄膜上表面的钝化处理原来不仅仅只停留在上表面。”

研究人员进一步设计了时间分辨底面原位荧光成像实验,证明卤化铵上表面处理后,溶剂与退火等作用导致卤化铵分子从表面自上而下逐渐扩散进入钙钛矿多晶薄膜体相,并最终到达底界面,形成上下贯通的薄膜钝化。该团队也将这一全新机理命名为“分子辅助微结构重构”,进一步完善了对卤化铵表面钝化技术本质及高效性的理解。

朱瑞认为,“分子渗透现象进一步反映了钙钛矿薄膜软晶格的性质,这一结论将进一步为高效钙钛矿钝化材料的设计提供灵感。”

展望:“底部大有可为”

早在1959年,诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家理查德·费曼在美国物理学会会议上首次提出:“底部大有可为。”自此,纳米领域研究开启了飞速发展的模式。

谈及未来钙钛矿光电器件的发展,龚旗煌说:“我们同样相信在钙钛矿光电器件领域,底界面研究大有可为。”他认为,底界面还有更多秘密等待科学家发掘探索,这将是未来研制高效稳定钙钛矿器件的重要发展方向之一。

然而,目前对于薄膜底界面的认知仍远远落后于上表面,不同体系、制备方法的钙钛矿薄膜也可能存在不同底界面性质,建立起一个成熟完善的底界面知识体系仍旧需要大量研究数据以及成熟的研究方法。

北京大学团队自2013年开始,一直在高效钙钛矿光伏器件及薄膜表界面表征优化方面进行研究探索。

杨晓宇介绍,自2017年加入团队以来,就专注于钙钛矿底界面的研究与优化。“在对底界面的研究中,还发现了很多新奇的、与传统认知不同的现象,这也促使我们不断向更深层次的钙钛矿底界面性质进行探索。”谈及未来的研究计划,杨晓宇充满信心。

“本研究工作仅是钙钛矿薄膜底界面研究的开端,希望基于我们提出的方法,能够揭示更多钙钛矿薄膜‘埋藏的秘密’。”朱瑞希望,该工作能够给更多领域内外的研究者以启发,发展更加先进有效的底界面研究手段,促进新型钙钛矿光伏技术基础研究更加完善。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1002/adma.202006435

来源:《中国科学报》

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