剑桥大学 Nature Nanotechnology：纳米级化学异质性对合金钙钛矿太阳能电池光电响应的影响

【背景介绍】

卤化物钙钛矿在太阳能电池和其他光电应用中取得了巨大成功。通过经验器件优化发现，性能最高且可重复的钙钛矿是合金成分，如FA_0.79MA_0.16Cs_0.05Pb(I_0.83Br_0.17)₃，其中FA是甲脒，MA是甲基铵。尽管这些材料在多个长度尺度上具有光电、化学和结构上的异质性，但是卤化物钙钛矿器件仍具有优异的性能。研究表明，卤化物钙钛矿的整体化学计量比决定了其宏观尺度上的光电性能和稳定性。最近的显微镜研究表明，由结构无序和化学异质性引起的纳米级陷阱团簇都与器件性能降低有关。然而，虽然存在化学偏析，但是钙钛矿太阳能电池仍可实现高光电压，这反过来又通过光掺杂促进辐射复合。因此，全面了解纳米尺度环境对器件性能的影响，以及如何调和明显有害和有益的紊乱，对于该领域的发展至关重要。

【成果简介】

近日，英国剑桥大学Samuel D. Stranks和Miguel Anaya（共同通讯作者）等人报道了他们通过提供卤化物钙钛矿器件中纳米级化学、结构和光电环境的全局可视化解决了这个长期存在的悖论，这是通过开发一套新的相关，结合定量光学光谱技术和同步加速器纳米探针测量的多模显微镜测量。作者发现在纳米尺度应变变化的较弱影响下，即使是较大幅度的应变变化，组成无序仍然主导光电响应。纳米尺度的成分梯度驱动载流子漏斗状地进入与低电子无序相关的局部区域，将载流子复合从与电子无序相关的陷阱簇中拉出来，并导致高的局部光致发光量子效率。这些测量揭示了竞争性纳米级环境的全局图景，通过空间化学无序竞争电子无序和结构无序，增强了器件的缺陷容限。研究成果以题为“Nanoscale chemical heterogeneity dominates the optoelectronic response of alloyed perovskite solar cells”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文解读】

图一、钙钛矿太阳能电池器件堆栈的高光谱显微镜
（a）用于表征FA_0.79MA_0.16Cs_0.05Pb(I_0.83Br_0.17)₃钙钛矿薄膜和器件的高光谱显微镜装置示意图；

（b）来自（d-f）中黑色和红色突出显示区域的PL光谱；

（c）这些面板中以黑色突出显示的区域的反射率（R）、透射率（T）和吸收率（A）光谱；

（d-f）FA_0.79MA_0.16Cs_0.05Pb(I_0.83Br_0.17)₃钙钛矿器件堆栈（无背面金属接触）的绝对PLQE、宽带反射率和QFLS图；

（g）与Ross关系相比，从d和f中的地图以及完整设备堆栈中提取的QFLS与PLQE的散点图。

图二、FA_0.79MA_0.16Cs_0.05Pb(I_0.83Br_0.17)₃钙钛矿薄膜光电性能的相关性
（a-b）样品同一区域上薄膜的PLQE图和Urbach能量图；

（c）Urbach能量与PLQE的2D核密度估计图，显示了两种特性之间的反相关性；

（d）最高（>80%）和最暗（<20%）PLQE区域的空间平均PL光谱，突出了最发射区域的红移肩峰。

图三、FA_0.79MA_0.16Cs_0.05Pb(I_0.83Br_0.17)₃钙钛矿薄膜中卤化物成分、结构和光电变化之间的空间关系
（a）薄膜的归一化Br: Pb比率图；

（b）从与a相同区域的nXRF和nXRD提取的{210}平面家族的应变图；

（c）从{100}、{200}和{210}峰的nXRF（AXRF）和nXRD（AXRD） 提取的晶格常数的直方图；

（d）Urbach能量与{210}应变的2D核密度估计图，显示两种特性之间存在弱正相关；

（e-f）Urbach能量图分别与最高 Br（> 80%）和最低Br（<20%）含量的区域重叠；

（g-h）在最高Br（>80%）和最低Br含量区域（<20%）中Urbach能量和PLQEs的直方图；

（i）在高和低Br区域中突出显示发射行为的示意图。

图四、FA_0.79MA_0.16Cs_0.05Pb(I_0.83Br_0.17)₃钙钛矿薄膜的TAM与局部化学映射相关
（a）用于相关的区域的Br: Pb nXRF强度比和归一化PL强度的线扫描图；

（b）TAM线扫描显示GSB的质心值作为激发后时间的函数；

（c-d）不同延迟时间下富Br区域和贫Br区域的GSB瞬态吸收光谱；

（e）两个区域的相对GSB能量中心位移分布；

（f）本文提出的模型示意图，显示载流子漏斗到富Br区域的高发射低带隙区域，在竞争中胜过贫Br区域中的载流子俘获。

【小结】

综上所述，该研究对于从根本上理解这些材料的缺陷容限以及卤化物钙钛矿太阳能电池的设计具有重要意义。作者利用一套多模显微镜技术，揭示了卤化物钙钛矿中电荷载流子必须导航的复杂能量景观。作者提供了一幅纳米尺度的图片，展示了这种能量景观如何影响光照、载流子复合和俘获。作者发现均匀的化学成分不一定是最大限度地提高这类半导体性能的最佳方法，至少在这种材料仍然具有深阱簇的情况下，这种簇降低了器件的辐射极限。混合Br和I样品的存在诱导形成有益的局部异质结构，从而增强这些材料的缺陷耐受性。这些区域中的化学无序允许在微米尺度上有效捕获扩散载流子，从而导致辐射复合，超过电子无序和陷阱丰富区域中载流子的捕获，从而产生强发光和高性能。此外，即使是0.5%量级的纳米级应变变化也不会强烈影响初始性能，从而进一步证实了缺陷容限和化学性质的主导地位。其中，由于载流子聚集在稍低的带隙性能热点（具有低能无序）中，QFLS（电压）约为10-20 meV的小代价如果载流子发现高能无序区域，则超过潜在的更大损失。当接近辐射极限时，这种异质性最终可能在太阳能电池中变得有害，在这种极限下，深阱态处于可忽略的水平，不再需要缺陷容限。此外，应变并不主导初始光电分布，但局部应变的存在可能会改变器件长期性能，因此需要进一步控制加工，以维持这种有利的能源景观。这种多模态方法在理解控制这些缺陷容限材料的基本过程和纳米级景观方面向前迈出了一大步，并广泛适用于纳米尺度上其他新兴半导体的研究。

文献链接：Nanoscale chemical heterogeneity dominates the optoelectronic response of alloyed perovskite solar cells. Natrue Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-01019-7.

本文由CQR编译。

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