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Nat. Mater.综述:卤化物钙钛矿光电材料中的应变分析与工程

发布时间:2021-10-09

【研究背景】

卤化物钙钛矿作为一种有前途的下一代光伏技术已成为人们关注的焦点,其功率转换效率(PCE)已经与晶体硅器件相当。吸收器和接触层界面处不必要能量损失的减少显著改进了其效率和稳定性。最近,应变调控已成为提高卤化物钙钛矿器件效率的前沿,其方法是最小化不良缺陷的形成和随后的非辐射复合。最近报道,通过应变调控,基于FAPbI3设备的认证PCE约为24.4%,封装设备在400分钟后保持90%的效率。这些成就表明,应变工程是一个强大的工具,可以大大提高效率和稳定性。尽管取得了这些成功,但仍然存在一个明显的矛盾,即类似应变的卤化物钙钛矿即使是名义上相似的材料,也会表现出有益或有害的影响。此外,与其他光伏系统相比,卤化物钙钛矿中的应变幅度相对较高。钙钛矿材料中的高应变特别引人关注,因为钙钛矿是所有光伏材料中机械性能最脆弱的材料之一。因此了解不同长度尺度上应变的基本原理,并设计有效的方法来表征是未来发展的方向。

【成果简介】

英国萨里大学张伟教授和剑桥大学Samuel D. Stranks教授共同概述了与光伏应用相关的卤化物钙钛矿中应变的基本原理,并对表征该现象的方法进行了合理化。作者研究了最近在消除应变的不利影响、提高设备效率和操作稳定性方面取得的突破。最后还讨论了该领域进一步的挑战,并概述了将应力和应变研究置于卤化物钙钛矿研究前沿的未来研究方向。需要广泛了解卤化物钙钛矿中的应变,这将允许有效的应变调控,并推动钙钛矿光电转换效率和稳定性的进一步提高。该文章近日以题为“Strain analysis and engineering in halide perovskite photovoltaics”发表在知名顶刊Nature Materials上。

北京颐光新源科技有限公司是一家集开发、制造和销售光学元器件、光谱仪器、光电设备和与光学系统有关的仪器设备为一体的高新技术企业。产品涉及太阳能电池测试系统,各种光源,太阳模拟器,单色仪,分光光度计,各种光谱仪器,时间相关荧光光谱测量,皮秒激光和皮秒光源,CCD,ICCD,红外面阵探测器,光电倍增管,光学元器件,光学镀膜产品,电光源及LED测量系统等。

【图文导读】

图一、卤化物钙钛矿应变的定义和测量

北京颐光新源科技有限公司是一家集开发、制造和销售光学元器件、光谱仪器、光电设备和与光学系统有关的仪器设备为一体的高新技术企业。产品涉及太阳能电池测试系统,各种光源,太阳模拟器,单色仪,分光光度计,各种光谱仪器,时间相关荧光光谱测量,皮秒激光和皮秒光源,CCD,ICCD,红外面阵探测器,光电倍增管,光学元器件,光学镀膜产品,电光源及LED测量系统等。

上行分别给出了无应变(a)、压缩/拉伸应变(b)、微应变(c)和原子矢量位移(d)的示意图。底行表示衍射图案中每种应变的特征。

图二、卤化物钙钛矿中应变的起源

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卤化物钙钛矿中压缩/拉伸应变(a)、微应变(b)和更复杂应变(c)起源的示意图。

图三、应变对卤化物钙钛矿的影响

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(a)MAPbI3薄膜不同应变区的时间分辨PL衰减,其中压缩应变区的PL寿命比拉伸应变区的PL寿命短。

(b)不同应变下3个(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15薄膜的时间分辨PL衰减。

(c)FA1-xCsxPbI3和FA1-xCsxSnI3的带隙随Cs含量的变化。

(d)计算了应变相关的离子迁移活化能和CsPbI2Br中卤化物空位形成能,其中x轴上的负值和正值分别代表压缩应变和拉伸应变。

(e)XRD谱图相关系数随应变衰减到初始值T90(90%)的时间。

(f)计算沟道裂纹和边缘分层的应变能释放率G。

图四、卤化物钙钛矿光电材料中的应变工程

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(a)退火相关改性。上图:如何防止退火相关的应变产生的图表。下图:100℃时,在硅和聚碳酸酯上形成的MAPbI3的测量应力。

(b)组合剪裁。上图:多种离子结合的图示。下图:在由掺氟氧化锡涂层玻璃/介孔TiO2/(FAPbI3)1-x(MC)x(上图)和陷阱密度NT、TSC(下图)组成的样品中计算的微应变。

(c)界面管理。上图:钙钛矿界面管理示意图。下图:n-辛基氨改性(OA-10)和控制钙钛矿薄膜的2θ与sin2ψ的线性拟合。

(d)外延生长。上图:外延生长的图示。下图:显示MAPbI3衬底上外延单晶MAPbI3界面区域的高分辨率透射电子显微镜图像。

图五、在钙钛矿设备中释放应变潜力的工作流程

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(a)利用先进的应变工程技术,可以系统地对卤化物钙钛矿进行应变处理。

(b)采用先进的原位和非原位表征技术全面表征卤化物钙钛矿样品中的应变。

(c)利用应变工程来制备性能更好的设备。

【全文总结】

为了解决钙钛矿光伏材料中应变与材料性质之间许多悬而未决的问题,作者提出了一个迭代工作流程,通过高级应变工程调整应变,更充分地利用强大的原位和非原位测量技术以及反馈的知识来改进应变工程方法。最后,结果将是不仅能够抑制应变的不利影响,而且能够利用应变获得高效的钙钛矿设备。

为了促进未来的突破,需要对卤化物钙钛矿器件中应变的起源和效应有深入的理解。这在钙钛矿/硅和钙钛矿/钙钛矿串联结构的构建中尤为关键,其中许多层可能各自贡献应力和应变分量,影响整体效率和稳定性。随着卤化物钙钛矿结构继续推动长期运行稳定性的发展,应变将成为优化的关键参数,也是更奇特设备控制的通用杠杆。

文献链接:Strain analysis and engineering in halide perovskite photovoltaics (Nat. Mater. 2021, 20, 1337–1346)


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