黄劲松Adv. Mater. ：2秒氩气等离子体处理有效解决钙钛矿薄膜表面钝化问题

金也 7年前 (2018-01-19) 7644浏览

【引言】

 有机-无机卤化物钙钛矿(OIHP)具有光吸收系数大、载流子迁移率高、载流子复合寿命长等优点，因此引起了研究者广泛研究。其效率也从起初的3%迅速发展到超过20%。大量研究表明钙钛矿薄膜表面钝化和晶粒尺寸增大是提高电池效率的重要手段。在过去几年，研究者致力于增大钙钛矿晶粒尺寸，以减少晶界面积。比如在非润湿性材料表面生长大高宽比的钙钛矿晶粒可以降低电荷复合。但是钙钛矿薄膜表面比晶界有更多的缺陷且薄膜表面面积远大于晶界面积，因此钝化膜表面，降低表面的非辐射复合是提升钙钛矿太阳能电池效率的关键。

 与传统半导体材料(硅)中的悬挂键相比，由于OIHP材料的离子性质， OIHP材料中的表面缺陷多为带电缺陷。到目前为止，许多材料被证明可以与带电缺陷态发生相互作用进而起到钝化效果。一些带有π键的有机半导体分子进入到OIHP材料中可以起到钝化作用，然而，大部分钝化分子材料作用的缺陷类型有限。比如PC61BM可以有效的钝化一些由反位 (PbI)和未成键Pb原子引起的缺陷，然而钙钛矿薄膜表面深缺陷的种类较为复杂，主要包括PbI, Pb团簇和IMA。如果薄膜表面的如MA+ 和 I- 的有机部分能被去除掉，IMA 缺陷就可以被去除，而留下的富铅表面能被已知的如富勒烯的电子传输材料很好的钝化。利用热处理的方法可以移除MAI从而达到调节钙钛矿薄膜的成分的作用，然而热处理也容易造成表面以下且钝化材料到达不了的MAPbI3分解进而导致更严重的电荷复合。因此，寻找一种更为有效的表面钝化方法仍然是个严峻的考验。

【成果简介】

 近日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松教授（通讯作者）的指导下， 博士生肖勋（一作）等人在Adv. Mater. 上发表了一篇名为“Argon Plasma Treatment to Tune Perovskite Surface Composition for High Efficiency Solar Cells and Fast Photodetectors”的文章。该研究报道了一种氩等离子体处理(APT)作为调整钙钛矿薄膜和单晶表面成分的有效方法。APT法可以有效去除钙钛矿表面的有机组分，并且可以在钝化层沉积前，将所有缺陷类型统一起来，留下富铅钙钛矿表面，以获得较好的钝化效果。

【图文简介】

图1：APT法去除有机物过程示意图

(a). 氩等离子体处理（APT）为MAPbI3表面消除MAI并且暴露铅丰富的表面；

(b). APT法处理不同时间时钙钛矿薄膜对应的元素比例变化。

图2：XRD与TRPL谱

(a). APT处理2秒与不处理的钙钛矿薄膜的XRD谱；

(b). APT处理不同时间对应的钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光谱 (TRPL) 。

图3：器件性能表征

(a). 器件结构图；

(b, c). APT处理不同时间下,器件所对应的J-V曲线和EQE曲线；

(d). 器件效率的统计分布；

(e). 2秒APT处理器件的Jsc和PCE的稳态测试；

(f). 器件的稳定性测试。

图4：瞬态测试

(a, b). APT处理的钙钛矿太阳能电池的瞬态光电流(TPC)与瞬态光电压(TPV)曲线；

(c, d). 单晶钙钛矿的瞬态光电流曲线，放大曲线(d)。

图5：态密度计算

(a). 超量MAI处理的MAPbI3表面的计算态密度，以及其用PCBM钝化后的计算态密度(DOS);

(b). 适量MAI处理的MAPbI3表面的计算态密度，以及其用PCBM钝化后的计算态密度 (DOS);

(c). 用APT法处理前后的器件的缺陷态密度。

【小结】

  研究者在制备钙钛矿太阳能电池中引入了氩气等离子体处理过程(APT)成功地调节了钙钛矿薄膜表面成分，并且有效的去除了表面的有机成分进而统一了缺陷态类型以达到更好的钝化效果。用该方法处理的钙钛矿太阳能电池的平均效率达到19.3%，最高效率达到20.4%。

文献链接：Argon Plasma Treatment to Tune Perovskite Surface Composition for High Efficiency Solar Cells and Fast Photodetectors (Adv. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adma.201705176)

本文由材料人编辑部新能源学术组金也供稿，材料牛编辑整理。

黄劲松课题组主页：http://huangjinsong.wixsite.com/group

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