鉀離子鈍化，鹵化物鈣鈦礦發光更強更穩定

金屬鹵化物鈣鈦礦在光電領域頗受關注，通過改變化學組成可以實現鈣鈦礦帶隙的連續調節，從而實現多種應用，比如鈣鈦礦太陽能電池、彩色發光器件以及集成於建築上的光伏器件等。但是，此類鈣鈦礦材料性能往往受限於非輻射覆合損失，即便是最先進的鈣鈦礦太陽能電池，在標準太陽光照條件下的發光產率也遠遠小於100%。此外，光致離子遷移也會導致鈣鈦礦材料的帶隙不穩定。近日，

作者利用碘化鉀溶液稀釋前體溶液，在玻璃上製備了一系列鈍化的三陽離子鈣鈦礦薄膜，(Cs,FA,MA)Pb(I0.85Br0.15)3（MA = CH3NH3+，FA = CH3(NH2)2+），前體溶液中鉀離子佔所有單價陽離子（K、CS、FA、MA）的分數表示為x。圖1a展現了隨著鉀離子濃度增加鈣鈦礦薄膜的外光致發光量子效率（PLQE）。當x從0增大到0.05時，其PLQE從8%增加到41%，而x = 0.40時，PLQE達到超高的66%，這相當於內量子熒光產率超過95%。經過鈍化後，非輻射湮滅成分驟減（圖1b）。從x=0及x=0.1，載流子遷移率維持在一個較高水平左右（42 cm2 V-1 s-1），當x增至0.4時，載流子遷移率下降到約30 cm2 V-1 s-1 ，這可能是由於x大於0.2後晶粒尺寸變小的效應（圖1c）。這些結果與鈍化樣品缺陷密度更低相一致，x = 0.1時可以消除幾乎所有的非輻射通道並保持電荷傳輸性能良好。

在持續光照下PLQE隨著時間變化如圖2a所示，對於參比鈣鈦礦薄膜（x = 0），PLQE隨著時間延長而出現顯著且緩慢的增長，並伴隨著光致離子遷移。作為對比，鈍化後的鈣鈦礦薄膜PLQE的數值更高更穩定，表明光致離子遷移過程被抑制。如圖2c，可以看出鈍化後的鈣鈦礦薄膜的熒光輸出在1.75 eV（鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池的最優帶隙）非常穩定。作為對照，沒有鈍化的鈣鈦礦薄膜樣品卻產生了明顯的紅移，而且帶隙也隨時間發生變化。而且，這種穩定性不會隨著溴組分含量變化而變化（x = 0.1，圖2d），可以覆蓋整個鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層的理想寬帶隙範圍（1.7–1.9 eV）。

作者以不同的鈣鈦礦材料製備了光伏器件，並測試了它們的性能。如表1所示，作者嘗試了兩個不同的配方，發現鉀離子鈍化後（x = 0.1），電壓損失都明顯降低，光電轉換效率（PCE）也都出現了明顯提高。這說明鉀離子鈍化策略的確有效地提升了鈣鈦礦的性能。

鉀離子鈍化後（x = 0.1），開路電壓（Voc）發生了明顯變化（如圖3a），而通過圖3b與圖3c的數據可以看出，不同的鉀離子濃度鈍化，在x = 0.1時，開路電壓及短路電流密度（Jsc）均達到最高數值。改變鹵化物鈣鈦礦中滷離子的比例所得的另一種鈣鈦礦材料（圖3d），可以觀察到同樣的情況，鉀離子鈍化後，光伏性能得到明顯提升。

工作簡單介紹到這裡。筆者個人認為本文有兩個最關鍵的亮點：（1）鈣鈦礦薄膜及界面對於鈍化添加劑有較強的容忍度，這區別於砷化鎵太陽能電池非常精密複雜的鈍化過程；（2）這些結果直接展現了獲得高效穩定的外熒光量子產率器件的重要性。這篇文章體現了在可調鈣鈦礦薄膜及界面構建中的重要的進步，這使得疊層太陽能電池、彩色發光二極管以及其他光電應用中逐漸接近了效率極限。

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關鍵字: 化學 器件 科普