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《第五届新型太阳能电池学术研讨会摘要集(钙钛矿太阳能电池篇)》2018年
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钙钛矿中晶体缺陷的表征及其对电池性能的影响

Wei Li  Mathias Uller Rothmann  Ye Zhu  Joanne Etheridge  Yi-Bing Cheng  
【摘要】:有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜光伏技术,其最高光电转化效率已达22.7%。进一步提升该体系电池的光电转化效率有赖于对材料的晶体结构、晶型转化和晶体缺陷,界面等微观结构进行深入的研究~([1])。然而有机-无机杂化钙钛矿中的有机基团在电子束或离子束的照射下产生永久的破坏。这使得通过透射电子显微镜和聚焦离子束来研究该类材料的微观结构带来极大的挑战。在这个报告中,我们首先通过细致的分析在透射电子显微镜中CH_3NH_3PbI_3钙钛矿在不同电子束的束流之下,其结构和化学成分的持续变化~([2])。我们发现在极低的束流之下,CH_3NH_3PbI_3d的已经遭受到根本破坏,束流越大破坏的程度越快。即使将CH_3NH_3PbI_3冷却到液氮的温度,破坏一样无法缓解和避免。钙钛矿的晶体结构在离子束下也会被破坏,因此目前通过聚焦离子束来制备有机-无机杂化钙钛矿透射电子显微镜的样品是无法有效分析该体系材料的原始微观结构。在此基础上,我们在国际上首次发现并证明了CH_3NH_3PbI_3杂化钙钛矿和传统无机氧化物钙钛矿一样,广泛存在大量的孪晶,并且直接观测出,这种孪晶的产生是为了释放CH_3NH_3PbI_3从高温的立方相向常温的四方相转变而积累的应力~([3])。这项结果的重要性在于,揭示了在杂化钙钛矿晶体的内部有孪晶界这种特殊的界面,它可以很大程度影响由光激发的电子和空穴分离、复合和传输,从而有助于解释CH_3NH_3PbI_3电流-电压特性中的迟滞特性,以及其优异的光电转化效率。将有机基团替代为无机离子所得到的CsPbI_(3-x)Br_x无机钙钛矿在电子束下稳定性可以得到大幅度的提高。因此可以使用先进电子显微镜技术对其微观结构进行更加深入的研究。我们通过阴极发光以及透射电子显微镜对于CsPbIBr_2的微观结构以及发光特性从纳米尺度进行了研究。该研究突破了传统光致发光无法达到的微观尺度,揭示了原先均匀分布的I~-和Br~-离子在光照或者电子束下产生团聚的原因,并直接观察到I~-离子在CsPbIBr_2晶体内部产生聚集。这也是国际上首次在如此高分辨精度下,揭示了混合阴离子在钙钛矿晶粒内是如何发生聚集~([4])。这个过程促进了CsPbIBr_2电池中离子迁移,从而导致了较大的电流-电压迟滞。因此通过研究无机CsPbIBr_2钙钛矿晶粒中阴离子的移动,揭示出组分分离对于电池性能的巨大影响,为杂化钙钛矿电池的研究提供了很好的借鉴。

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