研究背景與團(tuán)隊(duì)

HOIHP材料本身具備優(yōu)異的光電特性，例如穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)和較長的載子擴(kuò)散長度，但要達(dá)到超過26.5%的認(rèn)證效率，需要有效的界面工程和非輻射復(fù)合抑制策略。鈣鈦礦晶體的定向形核和生長，對于避免不良相（如DMSO–PbI2中間相）、提高薄膜品質(zhì)、增強(qiáng)電荷傳輸層的界面接觸非常重要，但此環(huán)節(jié)仍未獲得足夠的關(guān)注。

該研究由成都理工大學(xué)段玉偉、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠教授領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研究，并發(fā)表在頂刊《Advanced Materials》。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種非對稱多功能添加劑：S-(2-胍基-4-噻唑基)-（DC）。該分子將胍基和異硫脲兩種功能基團(tuán)結(jié)合在噻唑核心上，旨在克服先前胍基和硫脲添加劑之間可能存在的競爭性相互作用。研究核心在于利用異硫脲臂對欠配位Pb^2+的強(qiáng)配位作用，促進(jìn)鈣鈦礦沿（001）晶面的定向生長并抑制有害中間相的形成，同時(shí)利用胍基部分通過N—H···I氫鍵來穩(wěn)定碘離子 (I^-)，提高離子遷移活化能。借由這項(xiàng)策略，無MA的PSCs在p—i—n結(jié)構(gòu)中取得了26.73%的最高認(rèn)證準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)輸出（SPO），在n—i—p結(jié)構(gòu)中達(dá)到26.18%的效率。（Fig. 4f）

QFLS 表征在載子動力學(xué)解析中的作用

在鈣鈦礦太陽能電池研究中，準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂（QFLS, Quasi-Fermi Level Splitting）是定量評估材料內(nèi)部光電性能，特別是缺陷密度和非輻射復(fù)合損失的關(guān)鍵參數(shù)。

QFLS 測量與數(shù)據(jù)解析

該研究采用光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測量來計(jì)算QFLS值。PLQY值直接反映了材料內(nèi)部輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合的平衡，進(jìn)而決定了器件在光照下的理論最大開路電壓 (VOC)。

該研究的測試結(jié)果顯示，玻璃/鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)中，DC處理組和對照組的PLQY和QFLS數(shù)據(jù)如下（圖3d）：

• 對照組薄膜： PLQY為0.08%，計(jì)算所得QFLS值為1.103      eV。

• DC處理組薄膜： PLQY顯著提高至0.17%，計(jì)算所得QFLS值為1.135      eV。

DC處理組薄膜更高的QFLS值（1.135 eV）主要?dú)w因于體缺陷密度的降低和非輻射復(fù)合的有效抑制。這種QFLS的提升直接支持了器件VOC的增強(qiáng)。

這項(xiàng)鈣鈦礦研究通過PLQY定量QFLS，精確解析非輻射復(fù)合損失，并輔以PL成像驗(yàn)證薄膜品質(zhì)。Enlitech QFLS-Maper檢測器提供完整功能，可在3秒內(nèi)視覺化QFLS圖像，并快速量測PLQY、iVOC與Pseudo J-V曲線。對于需要高效評估VOC潛力和材料性能極限的研究，QFLS-Maper提供一站式解決方案。

載子動力學(xué)與缺陷表征

為深入解析載子行為，研究同時(shí)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)與時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）以及共聚焦PL成像。

1.       時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）（圖3b）： 在玻璃/鈣鈦礦薄膜上（從鈣鈦礦側(cè)入射光），DC處理組的平均載流子壽命（τ_ave）從對照組的150.81 ns顯著延長至515.46 ns。壽命的延長證明了DC分子有效鈍化了缺陷，增強(qiáng)了電荷分離與傳輸效率，并抑制了電荷非輻射復(fù)合。

2.       共聚焦PL強(qiáng)度與壽命成像：

o   PL強(qiáng)度成像（圖3g）： 對照組薄膜顯示出較多黑暗區(qū)域和不均勻的PL強(qiáng)度，表明存在較多缺陷。而DC處理組薄膜顯示出更亮且更均勻的綠色PL強(qiáng)度，這表明DC分子增強(qiáng)了晶體品質(zhì)，改善了載子傳輸，并減少了在晶界或界面等富缺陷區(qū)域的載子湮滅。

o   PL壽命成像（圖3h）： DC處理組的載子壽命（13,494—20,601 ps）遠(yuǎn)長于對照組（2,364—4,003 ps），進(jìn)一步證實(shí)了載子壽命顯著延長，非輻射復(fù)合被有效抑制。

3.       缺陷密度（N_trap）量化（圖S11a）： 通過空間限制電流（SCLC）測量，計(jì)算出DC處理組的電子陷阱密度（2.5 × 10^15 cm^-3）遠(yuǎn)低于對照組（4.9 × 10^16 cm^-3）。

結(jié)論與研究成果

該研究成功開發(fā)了非對稱DC添加劑，通過異硫脲和胍基的協(xié)同作用，有效地調(diào)控了無MA鈣鈦礦的定向形核與生長。異硫脲組件與Pb^2+的強(qiáng)配位作用促進(jìn)了晶體沿（001）方向結(jié)晶，抑制了有害中間相，而胍基組件則通過氫鍵穩(wěn)定I^-離子，提高了離子遷移的活化能。（圖 1）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，DC處理極大地提升了鈣鈦礦薄膜的品質(zhì)，減少了殘余應(yīng)變，并且在空氣中老化11天后仍保持黑色的光活性相，顯著提高了防潮性。（圖 5a）

在光電性能方面，DC處理的p—i—n器件實(shí)現(xiàn)了26.73%的認(rèn)證準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)輸出效率。在連續(xù)光照（ISOS—L—1）超過4,000 h和暗儲存（ISOS—D—1）超過2,000 h后，器件效率仍能維持在初始效率的90%以上。（圖 5e.f）

QFLS在該研究中的核心貢獻(xiàn)是提供了一個(gè)量化的熱力學(xué)證據(jù)，即通過添加劑優(yōu)化后，鈣鈦礦薄膜的內(nèi)部發(fā)光效率提高，從而使QFLS值從對照組的1.103 eV提升至1.135 eV。這項(xiàng)數(shù)據(jù)與VOC非輻射損失（從127 mV降至95 mV）的分析結(jié)果一致，共同驗(yàn)證了DC添加劑在抑制體缺陷和非輻射復(fù)合方面的有效性。此工作證明了合理設(shè)計(jì)非對稱多功能添加劑，是開發(fā)高效且穩(wěn)定PSCs的有效策略。

文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202514903

本文章為Enlitech光焱科技改寫 用于科研學(xué)術(shù)分享 如有任何侵權(quán)  請來信告知