Nat. Commun. : 晶界对有机-无机钙钛矿膜效率和稳定性的影响

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池作为一项有前景的技术已经受到广泛关注。其能量转化效率已经从3.8%提高到22%。随着电池效率的持续增大，人们对晶粒尺寸的增大或者是晶界的钝化的影响有不同的看法。薄膜的表面、晶粒的内部和相邻晶粒间的晶界是钙钛矿薄膜存在缺陷的三个重要区域。所以，区别和确定这些因素对多晶钙钛矿薄膜光电性质的影响是至关重要的。另外，对于其稳定性而言，我们还需要研究薄膜的晶界或者表面是否是钙钛矿晶体发生降解的区域。因此，理解钙钛矿薄膜的降解机理是十分必要的。与传统的宏观器件表征相比，人们认为对钙钛矿薄膜的化学、电学和光学性质的空间分辨的研究将为推进基础科学研究提供至关重要的信息。

【成果简介】

近日，德克萨斯大学的赖柯吉、李晓勤、美国国家能源实验室的朱凯（共同通讯作者）在Nat. Commun.上发表最新研究成果“Impact of grain boundaries on efficiency and stability of organic-inorganic trihalide perovskites”。在该文中，研究者通过微波阻抗显微镜(MIM)获得了两种不同效率的MAPbI₃薄膜在光照下的定量纳米级光电导成像。通过实验发现：微波信号基本均匀地分布上晶粒和晶界上。这表明微结构不会导致内部光响应的强空间变化。另一方面，所测得的光电导和光激发的载流子寿命受到本体性质的很大影响，如样品结晶度。从局部光电导的空间演化来看，降解过程始于晶粒的分解，而不是晶粒间的晶界。该研究的结果为提高钙钛矿薄膜的光电性能及其大规模商业化提供了思路。该论文的第一作者为储昭栋。

【图文导读】

图1 实验设置和有限元分析

（a）样品的示意图和通过透明玻璃基质的底部照明的MIM图

（b）模拟的MIM信号随着MAPbI₃导电率的变化

图2 MAPbI₃的纳米级别的MIM图

（a）对于效率是18%的薄膜，当532nm的激光关闭（中间）和打开（底部）时的AFM（顶部）和MIM-im/Re图像（AFM数据内部黑色虚线长方形所示）

（b）相应的15%的薄膜的结果图

图3 MAPbI₃膜的光电导和其它表征

（a）效率为18%的薄膜的MIM信号

（b）效率为15%的薄膜的MIM信号

（c）两种薄膜的光电导图

（d）两种薄膜的光学吸收和IPCE图

（e）两种薄膜的的TRPL图

（f）两种薄膜的的XRD

图4钙钛矿薄膜的不同微结构

（a）在532nm激光100 mW cm⁻² 光照下，MAPbI₃膜的AFM和MIM图像

（b）单一晶界上的线廓线

（c）随着晶界导电性的变化，参照背景晶粒（导电性为10 S m^-1）的模拟MIM对比度

图5 MAPbI₃膜的降解过程

（a）在23℃、35%湿度下，样品一周之后的AFM 和 MIM图

（b）相同方法制备并且在相同条件下湿度处理的MAPbI₃薄膜的XRD图

（c）相同方法制备并且在相同条件下湿度处理的MAPbI₃薄膜的TRPL图

（d）MAPbI₃薄膜的降解机理示意图

【小结】

在这项工作中，研究者报道了不同效率的MAPbI₃的光电导图像。高的载流子移动率和长的寿命是导致薄膜有较大光电导性的直接原因。相比于晶粒内部而言，晶界具有相似的光传导性，它们并不是降解过程发生的中心。

文献链接： Impact of grain boundaries on efficiency and stability of organic-inorganic trihalide perovskites（Nat. Commun.，10.1038/s41467-017-02331-4）

【团队介绍】德克萨斯大学奥斯汀分校物理系赖柯吉实验组

（https://web2.ph.utexas.edu/~lailab/index.html）该组致力于研究二维材料、拓扑绝缘体、多铁体系以及强关联体系中的微观物理现象。主要实验方法包括近场微波成像，电输运及光学测量等。

2）团队在该领域工作汇总：见https://web2.ph.utexas.edu/~lailab/publications.html

3)相关优质文献推荐:

Yutsung Tsai, Zhaodong Chu, Yimo Han, Chih-Piao Chuu, Di Wu, Alex Johnson, Fei Cheng, Mei-Yin Chou, David A. Muller, Xiaoqin Li, Keji Lai, and Chih-Kang Shih, "Tailoring Semiconductor Lateral Multijunctions for Giant Photoconductivity Enhancement", Advanced Materials 29, 1703680 (2017).

Xiaoyu Wu, Urko Petralanda, Lu Zheng, Yuan Ren, Rongwei Hu, Sang-Wook Cheong, Sergey Artyukhin, Keji Lai, "Low-energy Structural Dynamics of Ferroelectric Domain Walls in Hexagonal Rare-earth Manganites", Science Advances 3 (5), e1602371 (2017).

Di Wu, Xiao Li, Lan Luan, Xiaoyu Wu, Wei Li, Maruthi N Yogeesh, Rudresh Ghosh, Zhaodong Chu, Deji Akinwande, Qian Niu, Keji Lai, "Uncovering edge states and electrical inhomogeneity in MoS₂ field-effect transistors", Proceedings of the National Academy of Sciences 113 (31), 8583-8588 (2016).

本文由材料人编辑部新能源小组马永超编译整理，点我加入材料人编辑部。

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