鈣鈦礦薄膜缺陷調控策略在太陽能電池中的應用

需要增透減反技術可以聯系我們上海工廠18917106313

上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

一、鈣鈦礦薄膜缺陷的類型

當前高性能的鈣鈦礦光伏器件多數采用有機– 無機鈣鈦礦為光吸收層。與金屬鈣鈦礦氧化物相比,  有機–無機雜化鈣鈦礦的有機離子組分具有更大的

圖 1 鈣鈦礦晶體結構圖

極化特性, 低價態的鹵素離子間相互作用也更弱。這些特性造成它們對環境（水、熱、氧等）十分敏感, 在溶液制備及長時間運行過程中易于形成各種缺陷(空位、間隙、重排等)。這些缺陷會俘獲光生電子或空穴, 進而與帶有相反電荷的載流子復合而淬滅。非輻射復合導致穩態電荷密度降低以及電子和空穴準費米能級分裂降低, *終造成開路電壓(Voc)損失。此外, 表面和晶界處的缺陷還會降低電荷的提取效率, 從而影響短路電流(Jsc)和填充因子(FF)。缺陷的帶電特性使其在電場作用下可發生移動, 從而造成鈣鈦礦的降解、能帶彎曲、相分離和遲滯現象等, 不利于器件的光電轉化效率和穩定性。

如圖 2(a) 所示, 鈣鈦礦晶體的缺陷可分為本征點缺陷、二維缺陷（晶界和表面缺陷）及三維缺陷（如針孔、鉛簇）, 其存在取決于形成能。其中,  點缺陷形成能低, 占主體地位, 其它形成能高的缺陷占比較低。以常見的甲基銨鉛三碘化物鈣鈦礦 (MAPbI3)  為例, 本征點缺陷主要包括三種空位 (VMA、VPb、VI)、三種間隙(MAi、Pbi、Ii)、兩種陽離子取代(MAPb、PbMA)和四種反位取代(MAI、PbI、 IMA、IPb)。由于鈣鈦礦晶格的離子特性, 這些點缺陷通常缺電子或富電子。圖 2(b)  總結了這些本征給體和本征受體缺陷的躍遷能級, 其中深層缺陷有 IMA、 IPb、Pbi、PbI, 其余點缺陷皆為淺層缺陷。因能級不同, 缺陷對器件性能的影響程度也不同。深層缺陷在捕獲電子或空穴后會導致大量非輻射復合, *終造成器件效率下降。淺層缺陷雖然也能捕獲電子或空穴, 但由于能量位置距離鈣鈦礦價帶或導帶較近,  在聲子激發下被捕獲的電子或空穴又可以回到價帶或導帶中, 對于電荷重組的影響基本可以忽略。但是, 淺層缺陷在電場作用下的遷移會導致器件穩定性下降。由此, 無論是深層缺陷還是淺層缺陷都需要進行抑制, 以提升器件光伏性能。

基于 Lewis  酸堿理論, 可以利用各種添加劑對鈣鈦礦薄膜缺陷進行鈍化。具體而言, 富電子缺陷可與 Lewis  酸或陽離子發生相互作用, 缺電子缺陷可與 Lewis 堿或陰離子進行相互作用。如圖 2(c) 所示, 從缺陷處理方式來看, 一方面, 可以將不同類型的材料添加至鈣鈦礦前驅體溶液或反溶劑中,  在晶體生長過程中抑制缺陷的生成; 另一方面, 可以通過后處理對鈣鈦礦薄膜表面缺陷進行去活, 或者在鈣鈦礦/電荷傳輸層間引入二維鈣鈦礦, 從而減少界面非輻射復合損失。下文列舉了近年具有代表性的缺陷鈍化材料, 并重點闡述缺陷處理對鈣鈦礦晶體性質及光伏性能的影響。

圖2 (a)鈣鈦礦薄膜中的缺陷示意圖; (b)MAPbI3 中本征受體及本征給體 缺陷的躍遷能級; (c)各種缺陷調控策略的示意圖