目前，雖然有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的認證效率高達到25.2%，但是鈣鈦礦薄膜中存在的缺陷會形成非輻射覆閤中心，導致光生電荷損失，降低了器件的光電轉化效率。以經典的CH3NH3PbI3為例，碘填隙缺陷形成能低，是鈣鈦礦薄膜生長中常見的一種缺陷，碘填隙缺陷在帶隙中引入一個深能級單電子佔據態，費米能級釘扎於此，它加速非輻射電子-空穴複合。同時，碘填隙易遷移，引起電流-電壓遲滯現象，進一步加速材料和器件性能退化。因此尋找缺陷鈍化手段，揭示缺陷鈍化機理，對於減少太陽能電池光電轉化過程中的非輻射覆合能量損失、提高器件性能十分重要。
鑑於鹼金屬具有奇數（一個）個最外層價電子，如果用鹼金屬和碘填隙缺陷配對形成閉殼層偶數個電子，是否可以鈍化碘填隙缺陷、抑制非輻射電子-空穴複合呢？
為了回答這一關鍵科學問題，北京師範大學龍閏教授和方維海院士課題組利用含時密度泛函理論和非絕熱分子動力學模擬，研究了五種鹼金屬鈍化碘填隙缺陷體系。研究結果表明：存在碘填隙時，鹼金屬形成能約為-2 eV，表明碘填隙有利於鹼金屬摻入到鈣鈦礦材料；當鈣鈦礦中含有鹼金屬時，形成碘填隙的能量增大，表明摻雜降低缺陷濃度；碘填隙缺陷在費米能級處引入深能級缺陷態，與完美鈣鈦礦比較，非輻射電子-空穴複合加快1.5倍。鹼金屬摻入後，與填隙碘成鍵，深能級缺陷態消失，而材料的基本帶隙幾乎不變；同時，由於靜電排斥作用，使得導帶底鹼金屬周圍的電荷密度分佈變得局域，致使非絕熱耦合強度減小；再次，摻雜破壞了晶體對稱性，引入其它聲子振動模式加快了量子退相干過程。
因此，降低的非絕熱耦合強度和縮短的量子退相干時間抑制了非輻射電子-空穴複合、延長了激發態壽命。特別地，銫摻雜體系地非輻射覆合時間比完美原始MAPbI3體系延長了7倍之多。這一研究成果揭示了鹼金屬鈍化鈣鈦礦缺陷的機理，合理解釋實驗上觀察到的現象，為鈣鈦礦缺陷鈍化與器件性能提升提出了理論指導（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 2-9）。
來源 北京師範大學化學學院
論文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201911615
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