钾离子钝化，卤化物钙钛矿发光更强更稳定

金属卤化物钙钛矿在光电领域颇受关注，通过改变化学组成可以实现钙钛矿带隙的连续调节，从而实现多种应用，比如钙钛矿太阳能电池、彩色发光器件以及集成于建筑上的光伏器件等。但是，此类钙钛矿材料性能往往受限于非辐射复合损失，即便是最先进的钙钛矿太阳能电池，在标准太阳光照条件下的发光产率也远远小于100%。此外，光致离子迁移也会导致钙钛矿材料的带隙不稳定。近日，

作者利用碘化钾溶液稀释前体溶液，在玻璃上制备了一系列钝化的三阳离子钙钛矿薄膜，(Cs,FA,MA)Pb(I0.85Br0.15)3（MA = CH3NH3+，FA = CH3(NH2)2+），前体溶液中钾离子占所有单价阳离子（K、CS、FA、MA）的分数表示为x。图1a展现了随着钾离子浓度增加钙钛矿薄膜的外光致发光量子效率（PLQE）。当x从0增大到0.05时，其PLQE从8%增加到41%，而x = 0.40时，PLQE达到超高的66%，这相当于内量子荧光产率超过95%。经过钝化后，非辐射湮灭成分骤减（图1b）。从x=0及x=0.1，载流子迁移率维持在一个较高水平左右（42 cm2 V-1 s-1），当x增至0.4时，载流子迁移率下降到约30 cm2 V-1 s-1 ，这可能是由于x大于0.2后晶粒尺寸变小的效应（图1c）。这些结果与钝化样品缺陷密度更低相一致，x = 0.1时可以消除几乎所有的非辐射通道并保持电荷传输性能良好。

在持续光照下PLQE随着时间变化如图2a所示，对于参比钙钛矿薄膜（x = 0），PLQE随着时间延长而出现显著且缓慢的增长，并伴随着光致离子迁移。作为对比，钝化后的钙钛矿薄膜PLQE的数值更高更稳定，表明光致离子迁移过程被抑制。如图2c，可以看出钝化后的钙钛矿薄膜的荧光输出在1.75 eV（钙钛矿-硅叠层太阳能电池的最优带隙）非常稳定。作为对照，没有钝化的钙钛矿薄膜样品却产生了明显的红移，而且带隙也随时间发生变化。而且，这种稳定性不会随着溴组分含量变化而变化（x = 0.1，图2d），可以覆盖整个钙钛矿-钙钛矿叠层的理想宽带隙范围（1.7–1.9 eV）。

作者以不同的钙钛矿材料制备了光伏器件，并测试了它们的性能。如表1所示，作者尝试了两个不同的配方，发现钾离子钝化后（x = 0.1），电压损失都明显降低，光电转换效率（PCE）也都出现了明显提高。这说明钾离子钝化策略的确有效地提升了钙钛矿的性能。

钾离子钝化后（x = 0.1），开路电压（Voc）发生了明显变化（如图3a），而通过图3b与图3c的数据可以看出，不同的钾离子浓度钝化，在x = 0.1时，开路电压及短路电流密度（Jsc）均达到最高数值。改变卤化物钙钛矿中卤离子的比例所得的另一种钙钛矿材料（图3d），可以观察到同样的情况，钾离子钝化后，光伏性能得到明显提升。

工作简单介绍到这里。笔者个人认为本文有两个最关键的亮点：（1）钙钛矿薄膜及界面对于钝化添加剂有较强的容忍度，这区别于砷化镓太阳能电池非常精密复杂的钝化过程；（2）这些结果直接展现了获得高效稳定的外荧光量子产率器件的重要性。这篇文章体现了在可调钙钛矿薄膜及界面构建中的重要的进步，这使得叠层太阳能电池、彩色发光二极管以及其他光电应用中逐渐接近了效率极限。

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關鍵字: 钙钛矿 科普 器件