ACS Materials Lett. | CsPbBr₃薄膜的相变抑制以及缺陷修复- X-MOL资讯

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ACS Materials Lett. | CsPbBr₃薄膜的相变抑制以及缺陷修复

材料

作者：X-MOL 2023-06-30

英文原题：Crystallization Dynamic Control of Perovskite Films with Suppressed Phase Transition and Reduced Defects for High Efficient and Stable All-Inorganic Perovskite Solar Cells

通讯作者：

姓名：常晶晶，林珍华，郭立新

单位：西安电子科技大学

作者：Siyu Zhang (张思玉), Jian He (贺健), Xing Guo (郭兴), Jie Su (苏杰), Zhenhua Lin* (林珍华), Jincheng Zhang (张进成), Lixin Guo* (郭立新), Yue Hao (郝跃), Jingjing Chang* (常晶晶)

背景介绍

近年来，钙钛矿半导体材料在光电领域的应用迅速增长，成为了一个备受关注的研究方向。这主要得益于其高光电转换效率、高灵敏度和高稳定性等优点，使其在各个应用领域得到广泛的应用。相比于有机无机杂化钙钛矿光电器件存在稳定性和明显的离子迁移等问题，全无机钙钛矿光电器件成为了一个备受关注的研究领域。其中， CsPbBr₃钙钛矿的薄膜质量常常受制于0D Cs₄PbBr₆和2D CsPb₂Br₅的衍生相，进而影响薄膜的光电性质。光电器件的性能受到Cs-Pb-Br化合物相组成的影响，其中CsPbBr₃、Cs₄PbBr₆和CsPb₂Br₅是最为常见的三种组分。在CsPbBr₃制备过程中，由于各种因素的影响，通常会出现一定数量的Cs₄PbBr₆和CsPb₂Br₅等杂质相，影响CsPbBr₃的薄膜质量和性能。

文章亮点

近日，西安电子科技大学的常晶晶教授团队提出了一种新的制备高纯相全无机钙钛矿的方法：通过使用CsBr/甲醇溶液处理CsPbBr₃薄膜，抑制杂质相的形成，并减少表面缺陷 (图1a)。理论计算和实验表明，适当的CsBr/甲醇处理可以有效地抑制Cs₄PbBr₆的形成，进一步修复钙钛矿表面的缺陷，提高光电性能（图1）。所制备的无空穴传输层光伏电池实现了10.67％的最高效率，具有1.54 V的开路电压和良好的长期稳定性。这些研究成果为精确控制钙钛矿材料相变和表面性质提供了新的思路，有望为CsPbBr₃基光电器件的开发和应用带来更多的帮助。

图1：(a) CsPbBr₃薄膜的制备工艺。PbBr₂、CsPbBr₃和CsPbBr₃/CsBr薄膜的(b) AFM图像、(b) 水接触角(插图)以及(c)俯视图SEM图像。

研究表明，通过分析薄膜质量证明了CsBr处理可以明显改善CsPbBr₃薄膜的质量（图1）。这种优化的制备方法可以提高器件的性能，有望在未来的光电器件应用中发挥重要作用。通过模拟在不同前驱体配比和溶剂的条件下制备钙钛矿材料CsPbBr₃，研究CsBr/CH₃OH钝化对抑制CsPbBr₃相变的作用。采用密度泛函理论(DFT)计算方法，计算了CsPbBr₃的三种不同前驱体配比的形成能(ΔH：图2a)。结果显示，在CsBr和CsBr∙H₂O体系中，CsPbBr₃可以在室温下自发形成，而在CsBr∙24CH₃OH体系中，则相对难以形成。此外，实验结果表明，CsBr/CH₃OH可以有效地抑制CsPbBr₃向0D Cs₄PbBr₆的相变，而CsBr∙H₂O体系则相反。最终，采用优化的溶液旋涂方法，成功避免了CsPbBr₃向0D Cs₄PbBr₆的相变。这一研究结果对于提高钙钛矿材料的制备工艺和性能具有重要的理论和实践意义。

图2：基于DFT计算的CsPbBr₃制备过程中相变过程。(a) CsPbBr₃在三种前驱体配比下的形成能 (ΔHs)。(b) Cs₂PbBr₅、CsPbBr₃和Cs₄PbBr₆之间的相转换。 (c) 衍生相 (CsPb₂Br₅/Cs₄PbBr₆) 到CsPbBr₃相的形成示意图。

紫外光电子能谱（UPS）确定了处理后CsPbBr₃的费米能级与价带之间的差距减小，表明处理后表面更易于从价带中提取空穴，进而CsPbBr₃/CsBr薄膜的电阻和电流密度也得到了提高，有利于光生电子和空穴在界面处的抽取。研究结果显示，在CsPbBr₃薄膜上添加CsBr/CH₃OH晶体调控层后，界面质量得到显著提高，从而实现了较高的光电流密度。电容-电压（C-V）特性、电化学阻抗谱（EIS）和空间限制电流（SCLC）显示，经优化处理的CsPbBr₃基PSCs具有更高的内建电势、更快的电荷转移速率和较低的缺陷密度。

图3：(a) CsPbBr₃和CsPbBr₃/CsBr薄膜的稳态PL，(b) TR-PL，(c) UPS。(d) CsPbBr₃和CsPbBr₃/CsBr薄膜的能级示意图。(f) CsPbBr₃和CsPbBr₃/CsBr基PSCs的能级转移示意图。(f) CsBr/CH₃OH处理后的的钙钛矿表面可作为空穴输运通道的示意图。

总结/展望

这项研究通过理论计算和实验探索了无机Cs-Pb-Br衍生物的相转化过程，并提出了一种简化的制备方法。通过CsBr / CH₃OH晶体调节层获得低缺陷密度的高纯钙钛矿薄膜。这种方法可以获得优异的性能，如10.67％的高效率和长期稳定性。相较于当前研究现状，这项研究为无机CsPbBr₃光电器件的制备提供了新思路，为未来高效稳定的光电器件应用提供了有力支持。

该研究成果题为“Crystallization Dynamic Control of Perovskite Films with Suppressed Phase Transition and Reduced Defects for High Efficient and Stable All-Inorganic Perovskite Solar Cells”，相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，常晶晶教授，林珍华教授以及郭立新教授为该论文的共同通讯作者，张思玉博士为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博后科学基金以及西安电子科技大学创新基金等科研项目的资助。

通讯作者信息：

常晶晶西安电子科技大学

常晶晶博士，教授，博士生导师，国家高层次青年人才计划入选者，中国科协青年人才托举工程入选者，陕西省青年科技奖获得者，陕西省青年科技标兵，陕西省青年托举人才，陕西省重点科技创新团队核心成员，中国真空学会电子材料与器件专委会副秘书长，西安电子科技大学学术委员会委员，西电柔性电子交叉研究中心负责人等。近年来主要从事金属氧化物及钙钛矿半导体理论计算、材料可控生长、制备工艺优化、电子及光电器件制备及系统集成等方面的研究工作。截止目前，在Science、Nature Energy、Joule、Research、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、Advanced Science等国际核心期刊上发表SCI论文200余篇，研究成果被Science AAAS、Advanced Science News、Materials Views China、纳米人、科技日报、中国科技成果、今日头条等学术网站作为研究亮点进行报道，二十多篇文章入选年度热点文章及ESI高被引文章。同时申请新加坡/国际发明专利/中国专利60余项，授权专利12项。所做工作获陕西省高等学校科学技术奖一等奖、海南省自然科学奖二等奖、华为火花奖等。主持参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目20余项。担任InfoMat青年编委、EcoMat青年编委、SmartMat青年编委、Journal of Energy Chemistry青年编委、Journal of MaterialsScience-Materials in Electronics客座编辑、Nanomaterials客座编辑等。入选2018年福布斯中国教育领域30岁以下精英榜单，2018年科学中国人年度人物电子工程领域提名人，全球顶尖前10万科学家排名榜单等。

个人网页：

https://web.xidian.edu.cn/jjingchang/

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