Adv. Energy Mater.: 小离子在钙钛矿太阳能电池中的大作用

【引言】

离子移动是有机无机杂化钙钛矿中的热门话题。它和钙钛矿太阳能电池的反常光伏效应，钙钛矿材料的巨介电常数等特殊性能密切相关。在钙钛矿太阳能电池中，一般认为离子移动很可怕，应该去除，因为大量离子移动会带来材料相分离和电池稳定性差的问题。很少有人关注离子移动带来的优点。因此离子移动的作用尚待进一步阐明。

【成果简介】

近日，宁波大学诸跃进教授（通讯作者）张京副教授（第一/通讯作者）和上海交通大学/日本国立材料研究机构韩礼元研究员（通讯作者）合作研究并阐明了外来离子对钙钛矿太阳能电池能级调控的积极作用。并在Adv. Energy Mater上发表文章题题为：Extrinsic Movable Ions in MAPbI₃ Modulate Energy Band Alignment in Perovskite Solar Cells的研究成果。本文通过在钙钛矿骨架中引入少量小的锂离子和外来碘离子，借助于外电场中外来离子的移动，阐明一定的离子移动/聚集在钙钛矿材料中形成了外来的n/p型掺杂：锂离子的聚集在电池负极界面形成n型掺杂，碘离子在正极界面聚集形成p型掺杂。宁波工程学院尚明辉博士（通讯作者）使用第一性原理证实了外来离子形成了n/p型掺杂。这种外来非本征掺杂有助于电池内建电场的提高以及载流子的迅速抽取。除此，不同于钙钛矿自身本征的离子移动将会带来大量的缺陷态，这种外来的离子移动不会形成相分离。因而对钙钛矿太阳能电池性能提高以及保持器件稳定性有积极作用。

【图文导读】

图1.离子移动示意图及电化学性能测试。

(a)外来离子在钙钛矿骨架中移动;

(b)钙钛矿离子电导随锂离子增多而增大;

(c)反式钙钛矿太阳能电池中NiO/钙钛矿界面电子抽取，含离子的抽取变快。

图2.能级测量原理及掺杂类型。

(a)使用原子力显微镜表面电势测试钙钛矿/FTO以及钙钛矿界面的能级;

(b)对FTO加不同偏压，在界面形成离子聚集，测试得到表面电池并反映出n/p型掺杂。

图3.理论计算与性能表征。

(a)DFT理论计算支持离子掺杂形成n/p型半导体；

(b)少量离子掺杂有助于电池效率与回滞减小;

(c)外来离子在界面聚集使得电池內建电场增强，从而提高电池性能。

文献链接：Extrinsic Movable Ions in MAPbI3 Modulate Energy Band Alignment in Perovskite Solar Cells(Adv.Energy.Mater, 2017. doi: 10.1002/aenm.201701981)

本文由张京老师提供。

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