Nano Energy：首次利用掃描探針顯微鏡系統性剖析鈣鈦礦量子點電池的界面電勢特性

背景介紹：

目前，金屬鹵族鈣鈦礦薄膜材料因吸收邊緣尖銳、載流子壽命長、缺陷容忍度高以及物化性質可調控性強等，已在光伏領域展現出了極大的發展潛力。納米尺度下的鈣鈦礦材料如鈣鈦礦膠體量子點材料也表現出了優異光電性能，并且兼具量子限域效應和壓力應變性質等特性，引起了眾多研究者的關注。但是，鈣鈦礦量子點太陽能電池的發展仍面臨諸多問題，例如，盡管鈣鈦礦量子點電池與鈣鈦礦薄膜太陽能電池相比，具有較高的開路電壓和較多的電池結構可能性，但器件的短路電流一般比較低，器件的整體性能欠佳，此外，p-i-n結構的鈣鈦礦薄膜太陽能電池與n-i-p結構的相應器件具有相當的光電轉換效率，并廣泛應用于鈣鈦礦材料穩定性的研究以及多結太陽能電池的構建，但p-i-n結構的鈣鈦礦量子點太陽能電池則一般明顯低于相應n-i-p結構的量子點器件。因此，從器件的本征電子特性入手，探明造成以上難題的關鍵性因素至關重要。明確鈣鈦礦量子點太陽能電池內部的電勢結構，不僅可深化理解鈣鈦礦量子點器件中電荷分離與傳輸機制，為制定有效提升器件性能的方案提供依據，還可對組建高效的p-i-n鈣鈦礦量子點電池有重要的指導作用。

成果簡介：

近期，美國國家可再生能源實驗室Joseph?M?Luther團隊與Mowafak M.Al-Jassim團隊合作，采用納米級開爾文探針顯微鏡技術，深度剖析鈣鈦礦量子點太陽能電池異質結電勢結構，為器件中電荷傳輸材料的選擇提供了理論依據。通過測定不同電池結構下，不同電荷傳輸材料形成的界面電勢，揭示了鈣鈦礦量子點太陽能電池中各個異質結的獨立特性。對于高性能的n-i-p鈣鈦礦量子點太陽能電池，在電子傳輸層界面和空穴傳輸層界面都表現出了較強電場。但對于p-i-n鈣鈦礦量子點太陽能電池，在其空穴傳輸層界面處未能形成有效電場，即界面存在嚴重的電荷復合，這揭示了相應p-i-n器件與n-i-p器件相比性能較差的原因。此外，本工作還展示了鈣鈦礦量子點材料可與鈣鈦礦薄膜材料協同作用，其界面的可適性和可靠性相對較好，為光伏器件的結構設計提供了更多可能性。

相關研究發表于Nano?Energy上，論文第一作者為美國國家可再生能源實驗室肖傳曉博士和南開大學趙乾博士，通訊作者為美國國家可再生能源實驗室Joseph?M?Luther研究員和肖傳曉博士。

圖文導讀：

圖1開爾文探針顯微鏡對經典n-i-p鈣鈦礦量子點太陽能電池的表征。a,?KPFM技術示意圖，用掃描探針方法掃描電池截面；b，掃描電子顯微鏡與開爾文探針顯微鏡在同一電池上的結果，該測試運用對電池加偏壓的方法，導致能級變化，來獲取高空間分布率的電池內部電場特性；c，相應KPFM圖譜；d，相應的電池I-V曲線與參數。

圖2 開爾文探針顯微鏡對缺失電荷傳輸層的量子點電池進行表征。a和d，器件缺失電子傳輸層，則無法在前電極處形成有效電場；b和e，器件缺失空穴傳輸層，則無法在背電極處形成有效電場；c和f，器件缺失電子和空穴傳輸層，無法形成電場完成載流子傳輸。

圖3 開爾文探針顯微鏡研究不同電荷傳輸層對有效電場形成的影響。a和c，用SnO₂作為電子傳輸層，發現SnO₂無法與鈣鈦礦形成有效電場，從而電池效率變低；b和d，用PTAA作為空穴傳輸層，電池結果與圖1經典結構類似。

圖4 開爾文探針顯微鏡對p-i-n結構鈣鈦礦量子點和鈣鈦礦量子點/鈣鈦礦薄膜電池進行表征。a和c，在p-i-n結構鈣鈦礦量子點電池中，PTAA無法與鈣鈦礦量子點層形成有效電場，抑制了電荷的分離與傳輸，界面復合嚴重；b和d，鈣鈦礦量子點/鈣鈦礦薄膜電池中， PTAA與鈣鈦礦薄膜吸光層之間形成有效電場，電池效率顯著提升。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105319?

本文由作者團隊供稿。