苏州大学邹贵付课题组&南昌大学熊仁根课题组Angewandte Chemie：分子铁电驱动的高效钙钛矿太阳能电池

【引言】

在过去的十年中，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率经历了25%前所未有的突破，使其有希望成为下一代薄膜光伏技术的候选者之一。从根本上讲，PSCs的性能主要取决于钙钛矿层的吸光能力、缺陷钝化以及光生激子的分离和提取。在光照条件下，光生激子会被PSCs的内建场分离和提取。遗憾的是，相对较小的内建电场不能提供足够的驱动力来完全分离光生激子，并使被捕获的电荷逃脱深能级缺陷状态。此外，低钙钛矿结晶质量将限制其光电性能和器件性能。在这一过程中，由内部和表面缺陷（特别是深能级缺陷）引起的钙钛矿层的非辐射复合可能成为严重的复合中心，对光生电子和空穴不利，导致明显的能量损失。为了解决这些问题，人们已经投入了大量的精力，比如晶粒生长、异质结工程、添加剂注入、表面分子钝化和纳米阵列结构的合理设计等方法。因此，增强内建电场以促进电子和空穴的分离和传输，钝化缺陷以减少非辐射复合对高效PSCs具有重要意义。无机氧化物铁电材料如BiFeO₃、PbTiO₃已被报道在铁电光伏器件中表现出可检测的光电信号以及大于带隙的开路电压。外加电场可以改变铁电材料微观结构中不同的极化方向，并使之保持永久。因此，铁电材料因其独特的铁电性质而被认为是增加光电器件内建电场的重要材料之一。到目前为止，人们已经在利用无机氧化物铁电体或聚合物作为电子选择/提取层、掺杂剂或界面层等方面做出了一些努力。近年来，我们发现一系列分子铁电晶体，以其与金属氧化物相媲美的出色铁电响应，以及易加工、环保、重量轻、加工温度低、机械柔性好等特性，已成为一个有吸引力的铁电家族。特别是，它们对离子结构的化学调整，可以通过阳离子交换和碘化物空位的填充来减少电子空穴非辐射复合。探索分子铁电体在增强内建电场和钝化缺陷以获得高效PSCs方面的应用机会是非常有趣的。

【成果简介】

近日，在苏州大学邹贵付教授课题组和南昌大学熊仁根教授课题组合作下，首次选择同手性分子铁电（HMFE）掺入PSCs，其与PSCs具有相似的化学杂化钙钛矿结构，可构建高效太阳能电池。由于具有良好的自组装性能，HMFE在掺入PSCs时可保持良好的晶体结构以及铁电性能。HMFE在293 K时表现出13.96 μC cm^-2的高自发极化强度和483K的高相变温度，高于一些无机钙钛矿铁电体，如BaTiO₃（393 K），使其适合于PSCs的潜在应用。通过在钙钛矿层中引入HMFE， 掺杂PSCs的内建电场扩大了，从而促进了比对照组更有效的电荷分离。最终结果实现了21.78％的PCE，优于对照组18.28%的PCE。该成果以题为“Molecular ferroelectrics driven high-performance perovskite solar cells”发表在了Angewandte Chemie上。

【图文导读】

图1 激子离解的器件架构和示意图

a）对照组和b）HMFE掺杂的钙钛矿器件结构、SEM截面和激子分离示意图。 在HMFE自发极化电场作用下，HMFE掺杂的钙钛矿薄膜显示出更有效的电荷分离。E_p：HMFE的自发极化电场。比例尺：500 nm。

图2 纯HMFE和钙钛矿薄膜的铁电响应

a-c）纯HMFE的a）PFM振幅，b）PFM相位图，c）局部压电迟滞回线。对照组和HMFE掺杂钙钛矿薄膜在极化前后的 d，g，j）AFM，e，h，k）PFM振幅和f，i，l）PFM相图。比例尺：a）为200 nm，d，g，j）为1 μm。

图3 极化前后对HMFE掺杂的影响

HMFE掺杂钙钛矿薄膜在玻璃和TiO₂/FTO上的a）稳态PL光谱和b）瞬态PL光谱。标件以及HMFE掺杂PSCs极化前后的c）莫特-肖特基曲线；d）Nyquist拟合图；e）介电常数；f）J-V曲线；g）效率直方图；h）EQE曲线和积分光电流；i）固定偏置电压下500 s的稳态光电流。

图4 内建电场和缺陷态密度

a）KPFM测量的示意图。 b-e）标件和HMFE掺杂的钙钛矿薄膜在TiO₂和钙钛矿层的异质结构界面处的b，d）AFM形貌和c，e）表面接触电势差。比例尺：2 μm。 f）沿c，e）中橙色和蓝色箭头的表面接触电势差。 g）电子和h）空穴缺陷态密度和迁移率的暗I-V测量值。插图分别显示了纯电子和纯空穴器件的结构示意图。

图5 极化前后的表面电流和光伏性能

a-c）标件和d-f）HMFE掺杂的钙钛矿薄膜在0-200 mV偏置电位下的c-AFM图像。 a）和d）的插图分别是对应的AFM图像。比例尺：1 μm。g）沿着a-c）和d-f）中的蓝色和绿色箭头绘制的表面电流曲线。h）施加从0到2 Vμm^-1的不同电场后，HMFE掺杂PSCs的PCE统计图。 i，j）HMFE掺杂PSCs在不同极化方向和极化时间下的J-V曲线。

【小结】

首次在活性层中引入同手性分子铁电体，提高了PSCs的内建电场的同时，钝化了缺陷，实现了21.78%的PCE。由于引入的分子铁电与钙钛矿离子结构相似，使钙钛矿活性层的缺陷得到很好的钝化，光致发光强度增强约8倍，电子陷阱态密度降低。进一步的研究发现，与参比的钙钛矿薄膜相比，引入分子铁电的钙钛矿薄膜表现出更高的光吸收性能、更好的结晶性、增大的钙钛矿晶粒尺寸、降低的电子/空穴缺陷密度以及更高的电荷迁移率。该策略不仅明显增强了钙钛矿太阳能电池的内建电场，实现更好的电荷分离和传输，而且可以有效抑制缺陷的非辐射复合，实现高性能的钙钛矿太阳能电池，为分子铁电钙钛矿太阳能电池的研究奠定了基础。

文献链接：Molecular ferroelectrics driven high-performance perovskite solar cells（Angewandte Chemie， 2020，DOI:10.1002/anie.202008494）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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