【材料】Nature：钾钝化卤代物钙钛矿实现发光最大化和稳定化

金属卤代物钙钛矿是一种潜力巨大的离子半导体材料，经历短短几年的发展后，在光电转换效率方面已经可以与商业化的薄膜光伏材料媲美。钙钛矿价格便宜，能在低温下生产，这使其成为下一代太阳能电池和照明材料的有力候选者。

尽管钙钛矿潜力巨大，仍然存在一些限制因素阻碍其效率和稳定性的提升。电子在太阳能电池材料中越容易移动，材料将光能转化为电能的效率就越高。钙钛矿晶体结构中的微小缺陷，会在电子的能量被利用之前将其“绊住”，即所谓的非辐射损耗。虽然通过修饰化学组成可以连续调节钙钛矿的带隙，但受到非辐射损耗的限制，在标准太阳光照条件下，最先进的钙钛矿太阳能电池的发光效率仍远远低于100%。另一个问题是，在为连续带隙可调性而设计的混合卤代钙钛矿体系中（带隙大约1.7-1.9 V），光诱导离子的迁移使得带隙不稳定。

近日，由剑桥大学卡文迪许实验室Sam Stranks领导的国际研究小组发现，碘化钾的加入能够突破钙钛矿太阳能电池的发光效率限制。团队证明，通过钝化的卤化钾层修饰钙钛矿的表面和晶界，可以改善钙钛矿的非辐射损耗和光诱导离子迁移缺陷，达到66%的外部光致发光量子产率，并转化为超过95%的内部产率。新型钙钛矿在实现高发光效率的同时，还能保持40 cm² V^-1 s^-1的高迁移率。当与太阳能电池器件的电极接入时，外部发光产率仍然高达15%，表明钙钛矿层的界面非常干净。相关论文以“Maximizing and stabilizing luminescence from halide perovskites with potassium passivation”为题发表在Nature上。

（DOI: 10.1038/nature25989）

图1. 通过钝化提升辐射效率和电荷载流子迁移率

（来源：Nature）

在这项研究中，研究人员通过向钙钛矿油墨中滴加碘化钾，然后自组装成薄层来改变钙钛矿的化学组成。这项技术与精密卷绕对位过程兼容，意味着该技术具有可放大性并且价格低廉。碘化钾在钙钛矿顶部形成修饰层，可以改善晶体中的缺陷，从而电子移动更自由，并且能够固定离子移动以实现更稳定的带隙。

研究人员展示了具有理想性能的钙钛矿层，并将其与硅太阳能电池或其他钙钛矿层叠加成串联太阳能电池。通过添加钙钛矿层，太阳能电池能从更宽的光谱中收集光能。由钙钛矿和钾组成的器件在测试中表现了很好的稳定性，光电转换效率为21.5%，这与最好的钙钛矿基太阳能电池相似，离硅基太阳能电池的实际极限（29%）相差不算太远。串联电池由两层具有理想带隙的钙钛矿组成，理论效率极限为45%，实际极限为35%，这两个参数都比目前硅太阳能电池的实际极限高。

图2. 得到增强的太阳能电池功率转换效率

（来源：Nature）

通讯作者：

Dr. Sam Stranks

论文链接：
https://www.nature.com/articles/nature25989 

Sam Stranks课题组主页：
https://www.stranks.oe.phy.cam.ac.uk/