西北工業大學王洪強Adv. Energy Mater.：鈣鈦礦薄膜中激光植入納米晶實現高性能鈣鈦礦電池制備

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜因其較高的光吸收系數、較長的載流子擴散長度、連續可調的帶隙等優異的光學性質以及可低溫溶液加工的特點，已經被廣泛應用于光電探測、LED和太陽能電池等領域。大量研究表明鈣鈦礦薄膜的質量直接決定了器件的最終性能，截止目前，包括一步旋涂、反溶劑、兩步旋涂，真空蒸發等在內的制備工藝已經被采用來控制薄膜形貌。自從反溶劑方法被報道制備平滑、均勻且無針孔的鈣鈦礦薄膜以來，該方法已經成為當前高性能鈣鈦礦電池的主流制備工藝，同時基于此方法的添加劑工程（如小分子、聚合物）的研究也紛至沓來。通過在鈣鈦礦薄膜中引入具有優異物理/化學特性的無機納米晶材料，有望實現鈣鈦礦薄膜光電性質的有效調控，是一種提高器件光電性能的潛在方式。然而實際上，受限于溶劑種類、旋涂工藝、納米晶合成方法等，在薄膜基體中植入納米晶仍然是個挑戰。

【成果簡介】

近日，西北工業大學王洪強教授團隊在Advanced Energy Materials上發表了題為“Laser-Generated Nanocrystals in Perovskite: Universal Embedding of Ligand-Free and Sub-10 nm Nanocrystals in Solution-Processed Metal Halide Perovskite Films for Effectively Modulated Optoelectronic Performance”的文章。在該工作中，作者采用液相脈沖激光輻照技術，在反溶劑中制備獲得各類納米晶材料，將廣泛采用的反溶劑策略拓展為反膠體溶液策略(ACS)。以在常用反溶劑氯苯中原位生成的氯鈍化的碳點(Cl-CDs)為例，通過對薄膜形貌和電子結構的調控，鈣鈦礦太陽能電池最高光電轉換效率可達21.41%，在相對濕度為40%的環境中老化5000小時，仍能保持初始效率的98％以上。此外，通過應用激光生成的其他反膠體溶液，鈣鈦礦電池的光電性能均得到了進一步提升，因此該普適策略可為在雜化鈣鈦礦薄膜中引入納米晶來提高光電性能開辟新的途徑。博士生郭鵬飛和碩士生楊小昆為本文的共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1 基于Cl-CDs反膠體溶液的鈣鈦礦薄膜

(a)液相脈沖激光輻照示意圖；

(b)Cl-CDs的TEM圖像，內插圖為HRTEM圖像和尺寸分布；

(c)固態Cl-CDs的拉曼峰；

(d)Cl-CDs中Cl的2p峰的XPS譜；

(e&f) CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs薄膜的SEM圖像；

(g&h) CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs薄膜的截面BSE圖像；

(i&j) CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs的AFM和C-AFM圖像，其中對應的電流和粗糙度曲線分別由c-AFM圖像（上方，紅色線）和AFM圖像（下方，黑色線）中提取的，黑色點劃線表示晶界的位置；

(k) Cl-CDs嵌入鈣鈦礦薄膜晶界處的示意圖。

圖2 鈣鈦礦薄膜光電性質表征

(a)CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs薄膜的SKPM圖像；

(b)圖(a)中薄膜表面電位線掃描圖；

(c)不同薄膜中Pb的4f 的XPS精細譜；

(d)氯苯溶劑、Cl-CDs粉末和Cl-CDs-PbI₂的FTIR譜；

(e)CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs薄膜的穩態PL譜；

(f)CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs薄膜的TRPL譜；

(g)Cl-CDs的循環伏安掃描；

(h)CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs薄膜中的電荷轉移示意圖。

圖3 鈣鈦礦太陽能電池的性能。

(a)鈣鈦礦太陽能電池的器件截面SEM圖；

(b)基于不同條件激光輻照得到的Cl-CDs膠體溶液的鈣鈦礦電池性能參數分布；

(c)鈣鈦礦電池的最佳正反掃J-V性能曲線；

(d)在40％濕度條件下，未封裝鈣鈦礦器件的濕度穩定性測試；

(e)CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs器件的熱穩定性測試；

(f)CsFAMA和CsFAMA-Cl-CDs器件在最大功率點的穩態輸出測試。

圖4 基于不同種類反膠體溶液的鈣鈦礦太陽能電池性能

(a)Br-CDs的膠體溶液照片；

(b)Br-CDs的TEM圖像；

(c)基于Br-CDs制備得到的鈣鈦礦電池J-V曲線；

(d)Au-NCs的膠體溶液照片；

(e)Au-NCs的TEM圖像；

(f)基于Au-NCs制備得到的鈣鈦礦電池J-V曲線；

(g)LBSO-NCs的膠體溶液照片；

(h)LBSO-NCs的TEM圖像；

(i)基于LBSO-NCs制備得到的鈣鈦礦電池J-V曲線。

【小結】

研究人員采用液相脈沖激光輻照手段，基于反膠體溶液策略，在金屬鹵化物薄膜中植入不同的無配體納米晶材料，以Cl-CDs反膠體溶液為例，發現該納米晶的植入有助于實現鈣鈦礦薄膜缺陷鈍化及載流子遷移率顯著提升，修飾后的鈣鈦礦太陽能電池最高光電轉換效率可達到21.41%，且具有優異的濕度、熱、工作穩定性。這一普適性策略另辟蹊徑來調制鈣鈦礦薄膜的物理/化學特性，為基于激光-物質相互作用來開發光電及其他應用提供了新的可能。

文獻鏈接：Laser‐Generated Nanocrystals in Perovskite: Universal Embedding of Ligand‐Free and Sub‐10 nm Nanocrystals in Solution‐Processed Metal Halide Perovskite Films for Effectively Modulated Optoelectronic Performance（Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201901341）

【團隊介紹】

王洪強，西北工業大學教授，材料學院副院長，陜西省石墨烯聯合實驗室副主任。一直致力于瞬態極端條件下，納米材料的結構演變及相關物理/化學性能研究。迄今為止，已在Chem. Soc. Rev., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy?Enviorn. Sci., ACS Nano, Nano Energy等期刊發表SCI論文70余篇，被引3000余次，H因子是30。課題組隸屬于西北工業大學凝固技術國家重點實驗室和納米能源材料研究中心，目前主要開展瞬態極端條件材料與器件研究，研究涉及激光物質相互作用、界面超聲化學、鈣鈦礦太陽能電池、光電化學水分解以及鋰離子/鋰硫電池。

本文由Isobel供稿。

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