AEM：表界面科学在钙钛矿太阳能电池领域的研究进展

▲第一作者：丘龙斌 博士，何思斯 博士，Luis K. Ono 博士；通讯作者：戚亚冰 教授

通讯单位：日本冲绳科学技术研究所（OIST）

论文DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.201902726

全文速览钙钛矿太阳能电池性能在近年来得到了快速的提高，主要得益于对器件工作机理、复合机制、材料生长及质量控制、以及能级结构的理解与调控。其中，表界面科学对于材料及器件结构、复合机制以及能级结构的理解起到了极大作用。通过表界面科学的手段，提升从材料原子尺度层面的结构到器件尺度的电子性能的理解，是进一步设计高性能钙钛矿太阳能电池的有效途径。
在该综述中，首先通过原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM/STS）、以及开尔文探针力显微鏡（KPFM）等技术，在原子尺度层面综述了钙钛矿晶粒、晶界及原子排列的局部结构均匀性与器件性能的相关关系。随后，通过表面光电子能谱（XPS，UPS，IPES）技术，综述了在器件尺度层面钙钛矿薄膜的能级结构、组成及界面能级排列对器件性能的影响。并对钙钛矿薄膜中缺陷的类型、产生与修复作了详细的讨论。基于表界面科学先进表征技术研究材料结构与器件性能的相关关系，最后提出了有望提升器件性能的策略。
背景介绍2.1材料局部结构与性能对太阳能电池光伏参数的影响太阳能电池的光伏行为及对应的光伏参数如开路电压，短路电流密度，填充因子以及光电转换效率是由光生载流子产生及复合过程，传输及界面提取决定的。钙钛矿太阳能电池结构复杂，由多层结构组成。其中光活性的多晶钙钛矿薄膜通常含有丰富的微纳米结构，大量的晶界，及复杂的化学组成、晶体结构及取向。薄膜的局部结构会影响到器件的整体性能。
同时，在外界刺激如光、热等条件下，钙钛矿薄膜会随着时间而动态的变化，从而影响器件性能随时间的变化。局部的光电流、光电压测试表明其时间依赖的瞬态行为，并在一段时间后光电流和光电压达到平衡。不同的时间尺度对应着不同的物理化学过程。这些物理化学过程包括热载流子的冷却过程，载流子的复合与传输过程，缺陷态相关的过程，离子迁移过程等。扫描探针显微镜技术能够有效的研究材料组成局部的不均匀性，及相关空间和时间分辨行为对太阳能电池光伏参数的影响。
2.2.在器件尺度上钙钛矿材料的平均性能对太阳能电池性能的影响

除了微观结构及局部不均匀性对器件性能的影响，在宏观结构如器件尺度上钙钛矿材料的结构与性能的关系能被一系列先进的表征技术所研究。主要的，表界面表征技术包括紫外光电子能谱，X射线光电子能谱，以及逆光电子能谱等。测试所得的到的导带、价带结构，及相应的能级如费米能级，真空能级，功函数，离子化能以及电子亲合能等，是解释器件工作原理的主要参数，能够有助于理解界面间的电荷传输与提取效率。相应的能级结构会受到其组成，表面缺陷态密度，基底性质，以及表面化学组成的影响。
2.3. 钙钛矿材料中的缺陷类型及界面工程钝化缺陷在钙钛矿薄膜中的光生电荷产生、传输与提取等过程都受到薄膜中缺陷的影响。如点缺陷态能够影响薄膜中离子迁移过程；点缺陷的类型，如阳离子空位或卤素空位等，决定了钙钛矿薄膜的n型或p型性质；光生载流子密度的增加以及光致降解过程也与缺陷动力学过程相关。缺陷态的存在影响了钙钛矿薄膜的电子学性能，并限制了相应器件的性能、使用寿命以及可重复性等，界面工程修饰钝化表界面缺陷态能够有效的提升器件的性能及稳定性。
总结与展望这篇综述最后总结分析了钙钛矿太阳能电池性能发展的趋势以及相应的策略。钙钛矿太阳能电池的应用主要面临着可放大制备、重复性、迟滞效应以及稳定性方面的挑战。其中，优化的表界面结构有利于有效的光生电荷激发、提取及传输，以及尽可能低的电荷复合，从而有效提升钙钛矿电池光伏性能。这些表界面结构包括：（i）同质多晶薄膜的晶界和亚晶界结构；（ii）钙钛矿材料和电荷传输材料的异质结界面；（iii）钙钛矿材料表面（形貌、晶体取向及表面化学组成）。表界面科学及相应的先进表征技术能有效帮助进一步深入的理解钙钛矿材料的降解机制、表界面性质以及缺陷对性能与稳定性的影响，从而进一步提升钙钛矿光电子器件的性能。

课题组介绍戚亚冰博士，日本冲绳科学技术研究所（OIST）能源材料与表面科学研究团队学术带头人（PI）、教授、博士生导师、英国皇家化学学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry，FRSC）。2000 年于南京大学取得学士学位，2002 年于香港科技大学取得硕士学位，2008 年于美国加州大学伯克利分校取得博士学位，2008 年至2011年在美国普林斯顿大学进行博士后研究。2011年起就职于日本冲绳科学技术研究所。 研究领域包括研发新一代低成本高性能能源转化材料（如钙钛矿太阳能电池）, 储能材料（如锂离子电池）以及利用表面科学和先进表征技术（XPS, UPS, IPES, STM, AFM等）来研究能源器件中的表界面问题。在国际重要学术期刊上已发表SCI论文130余篇，其中以通讯作者在领域内主要杂志 Science、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angewandte Chemie、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Joule、ACS Nano、ACS Energy Lett.、J. Phys. Chem. Lett.

、Chem. Mater.、Nano Energy 等杂志上发表论文 80 余篇，多篇论文为 ESI 高被引论文，并有11篇论文被选为杂志封面。在重要国际会议上作特邀报告 50 余次，并作为会议主席或主要组织者组织了 International Symposium on Organic Electronics，International Symposium on Functional Materials、International Symposium on Energy Science and Technology、美国材料学会年会（MRS Meetings）钙钛矿太阳能电池分会等多次国际会议，2017 年获日本材料学会颁发的青年科学家奖。课题组网站：https://groups.oist.jp/emssu.
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