近日，中國(guó)科大微電子學(xué)院胡芹研究員課題組與華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的吳季懷教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了基于類催化劑系統(tǒng)調(diào)控鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜的轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，成功應(yīng)用于高效穩(wěn)定光伏器件的制備。相關(guān)成果以“A Catalyst‐like System Enables Efficient Perovskite Solar Cells”為題于2月9日在線發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》上。

圖1 (a) 可循環(huán)反應(yīng)的模型。(b) 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的J-V曲線圖和穩(wěn)定性測(cè)試。

鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電性能和可調(diào)控的光學(xué)特性，在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。然而，由于鈣鈦礦薄膜的轉(zhuǎn)化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不可控，導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)存在異質(zhì)性，引發(fā)光生載流子非輻射復(fù)合和器件性能下降。為了解決這一問(wèn)題，研究人員提出一種可循環(huán)的轉(zhuǎn)化過(guò)程（圖1a），降低了鈣鈦礦薄膜的異質(zhì)性，并制備得到高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（圖1b）。

圖2 (a) PbI2的納米CT三維重構(gòu)微結(jié)構(gòu)圖可循環(huán)反應(yīng)的模型。(b, c) PbI2和鈣鈦礦在退火過(guò)程中的原位GIWAXS強(qiáng)度演變圖: (b) PbI2, (c) 鈣鈦礦。(d) PbI2和鈣鈦礦中C 1s 的光電子能譜圖。

研究人員系統(tǒng)利用多尺度多模態(tài)的同步輻射技術(shù)，揭示了鈣鈦礦在催化轉(zhuǎn)化過(guò)程中的化學(xué)和結(jié)構(gòu)演變。在此工作中，基于同步輻射X射線的納米計(jì)算機(jī)斷層掃描（nano-CT）技術(shù)（如圖2a）被首次應(yīng)用于碘化鉛的三維成像。利用原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）技術(shù)，研究人員觀測(cè)到了碘化鉛（如圖2b）和鈣鈦礦（如圖2c）的相演化過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)了類催化劑的中間體（MeS—intermediate）。

同步輻射光電子能譜（SRPES）的元素分析證明了類催化劑組分存在于最終產(chǎn)物中。此工作提出了一種用于調(diào)控鈣鈦礦半導(dǎo)體材料反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的新型類催化系統(tǒng)，并構(gòu)建了鈣鈦礦薄膜的形成-結(jié)構(gòu)-特性-應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性，推動(dòng)了光伏器件的發(fā)展。

中國(guó)科大微電子學(xué)院博士后楊育倩、杭州電子科技大學(xué)李國(guó)棟副教授及北京大學(xué)趙麗宸博士為本文的共同第一作者，中國(guó)科大微電子學(xué)院胡芹研究員、合肥光源李渝副研究員及華僑大學(xué)吳季懷教授為本文的共同通訊作者。

該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、北京市青年英才計(jì)等基金的資助，同時(shí)得到了中國(guó)科大微納研究與制造中心、合肥光源、理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心等單位的表征實(shí)驗(yàn)支持。（來(lái)源：中國(guó)科大微電子學(xué)院）

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