【摘要】 卤化物过氧化物在太阳能电池和其他光电应用中已经显示出巨大的成功。通过经验装置优化发现，性能最高、可重复性最强的过氧化物是合金成分，如FA0.79MA0.16Cs0.05Pb(I0.83Br0.17)3（其中FA是甲酰胺，MA是甲铵）。

 

背景介绍

 

卤化物过氧化物在太阳能电池和其他光电应用中已经显示出巨大的成功。通过经验装置优化发现，性能最高、可重复性最强的过氧化物是合金成分，如FA0.79MA0.16Cs0.05Pb(I0.83Br0.17)3（其中FA是甲酰胺，MA是甲铵）。然而，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，但卤化物过氧化物器件的性能还是前所未有的。已有研究表明，卤化物过氧化物的体积化学成分决定了它们在宏观尺度上的光电性能和稳定性。最近显微研究表明，由结构无序引起的纳米级陷阱集群以及化学异质性都与器件性能的降低有关，这与对半导体行为的经典理解一致。然而，尽管存在化学偏析，但在包晶石太阳能电池中可以实现高的光电压，这反过来又通过光掺杂促进了辐射重组。全面了解纳米级景观对器件性能的影响，以及如何调和明显的有害和有益的无序状态，对于该领域的进展至关重要。

 

研究出发点

 

卤化物过氧化物在光电子器件中的表现非常突出。然而，鉴于过氧化物具有深层电荷载流子陷阱、空间组成及结构的异质性，这些都会对性能产生负面影响。剑桥大学Samuel D. Stranks研究小组通过提供卤化物过氧化物装置中纳米级化学、结构和光电景观的全球可视化解决了这个长期存在的悖论，通过开发一套新的相关的、多模式的显微镜测量，结合定量光学光谱技术和同步辐射纳米探针测量，使之成为可能。结果表明，成分紊乱在光电反应中占主导地位，而纳米级应变变化即使幅度很大的情况下，其影响依然较弱。纳米级组成梯度驱动载流子输送到与低电子紊乱相关的局部区域，将载流子的重组从与电子紊乱相关的陷阱集群中吸引出来，并导致高局部光致发光量子效率。这些测量揭示了竞争性纳米级景观的全貌，它通过空间化学无序竞争电子和结构无序，赋予器件更强的缺陷容忍度。

 

图文解析

 

图1.高光谱显微镜下的包晶石太阳能电池堆栈装置。

 

图2. FA0.79MA0.16Cs0.05Pb(I0.83Br0.17)3过氧化物薄膜中光电性能的相关性。

 

图3. FA0.79MA0.16Cs0.05Pb(I0.83Br0.17)3过氧化物薄膜中卤化物成分、结构和光电变化的空间关系。

 

图4. FA0.79MA0.16Cs0.05Pb(I0.83Br0.17)3过氧化物薄膜的TAM与局部化学图谱相关联。

 

结论 

 

该研究对材料中缺陷耐受度的基本理解和卤化物过氧化物太阳能电池的设计有显著的影响。利用一套多模态显微镜技术，揭示了电荷载流子必须在卤化物过氧化物中进行导航的复杂能量蓝图。提供了一个纳米级的图片，说明这种能量蓝图如何影响光掺杂、载流子重组和捕集。我们发现，追求均匀的化学成分并不一定是最大限度地提高该系列半导体性能的最佳方式，至少在材料仍然拥有深层陷阱集群，从辐射极限降低设备性能的情况下是如此。混合Br和I样品的存在诱发了有益的局部异质结构的形成，使这些材料具有更强的缺陷耐受度。在这些区域，电荷载流子的光生和辐射重组是通过一个快速的宽带隙到窄带隙的传输过程发生的，比在化学均匀的同类材料中更有效。这些区域的化学无序性允许在微米长度尺度上有效捕获扩散的载流子，从而导致辐射重组，超过在更多电子无序和陷阱丰富的区域捕获载流子，从而导致强大的发光和性能。此外，即使是0.5%的纳米级应变变化也不会强烈影响初始性能，这进一步证实了所谓的缺陷耐受度和化学特性的主导地位。此外，尽管发现应变并不主导最初的光电分布，但局部应变的存在可能会引起长期设备性能的变化，例如导致额外缺陷的形成和/或在长期操作下的机械故障点；因此，需要进一步控制加工过程以保持这种有利的能量蓝图。这种多模式的方法代表着在理解这些耐缺陷材料的基本过程和纳米级蓝图方面迈出了一大步，并广泛适用于在纳米级研究其他新兴半导体。

 

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01019-7