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Nature energy|卤化物钙钛矿中缺陷的综合解析

Nature energy|卤化物钙钛矿中缺陷的综合解析

卤化物钙钛矿太阳能电池可高效地将太阳能转化为电能,缓解全球对化石能源的依赖。该物质在地球上分布广泛,能够在低温下从溶液中制取。与其它光伏材料相比,卤化物钙钛矿在低成本方面极具竞争力。虽然如此,但想要完全地发掘他们的潜力,有几项重要的挑战必须克服。其中之一就是要了解并控制材料中的结构缺陷。目前,对其有限的了解阻碍了人们将太阳能电池的能量转化效率提升到热力学的极限值。因此,对于卤化物钙钛矿中缺陷的探索仍需进行。

Nature energy|卤化物钙钛矿中缺陷的综合解析
图1.钙钛矿太阳能电池的组成

 

近日,意大利理工学院纳米科学与技术中心James M. Ball和Annamaria Petrozza在Nature energy发表综述谈及卤化物钙钛矿材料。该综述描述了当前最前沿的有关卤化物钙钛矿中缺陷的起源和本质。此外,还详细分析了什么是载流子复合、电子转移、能带排列和电化学不稳定性以及缺陷对他们的影响。最后,作者还对卤化物钙钛矿的未来发展提出了自身的观点。

一、作者认为,虽然理论预测对于点缺陷性质的了解是有推动作用的,但实验验证仍然是最主要的。识别缺陷并了解他们的性质是一项艰难的挑战,仍需要一系列技术的支持。其中,大量的可被用来研究缺陷电子特性的电化学表征手段中,一些成套装置的潜在有用的方法可作为深能级暂态光谱的变体(直译有些难理解,意思是用某些电化学方法与深能级暂态光谱相比,具有达到同一目的相似功能)。另外,利用SRH统计学法构建严格的模型将缺陷结构与填充因子和开路电压联系起来,可对薄膜的光致发光以及装置的电致发光进行更深层次的解释。将以上这些方法与控制特殊点缺陷密度的加工策略以及最常用的材料表征方法(例如能谱和霍尔效应的测量)相结合,可对特殊缺陷展开更加丰富的研究。

Nature energy|卤化物钙钛矿中缺陷的综合解析
图2.缺陷在卤化物钙钛矿太阳能电池中的存在方式

 

二、作者还提醒研究者们要注意合成卤化物钙钛矿前驱体的纯度,之前很少人关注到这一点。作者引用他人的一些实验结果说明了杂质残渣对于目标产物的不利影响。化学杂质会引入消极的电子态或者变为钝化剂阻碍目标物的合成,因此,作者建议研究者们对此展开更深入的研究。

三、作者质疑点缺陷的性质是否有充足的理由可被完全描述为缺陷相关现象。更高维度的缺陷已经被观察到,但是有关这些缺陷对太阳能电池装置的影响,研究者们知之甚少。再者,作者认为以往的研究为了降低解释的复杂性,研究者们采用的只是一些理想的装置,例如使用单一的界面代替完整的太阳能电池,这与实际差距太大。基于单一薄膜的测量方法将会引入完整装置模型的内在不确定性。这是因为表面能和基体的粗糙度将会改变制备过程中钙钛矿前驱体溶液中反应物的活性,进而改变缺陷的形成能。

四、电化学测量是基于带电转移缺陷的活动完成的,缺陷的再分布会对太阳能电池中电场的分布产生影响,形成亚带隙表面态分布。这种影响还不能通过传统的半导体模型很好的处理,而想得到更好的处理和解释是非常具有挑战性的。在未来,利用时间分辨双光子光电发射光谱可有助于探测亚带隙表面态分布。

最后,作者提出,了解并控制缺陷是一重要的研究领域,也是未来卤化物钙钛矿太阳能电池的研究方向,最终将其能量转化效率提升到热力学的极限值。


Ball, James M., and Annamaria Petrozza. Defects in perovskite-halides and their effects in solar cells. Nature Energy 1 (2016): 16149.

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