鹵化物鈣鈦礦材料中缺陷的起源和分佈尚不清楚，但它們往往影響器件的穩定。本文使用光發射電子顯微鏡對最新的鹵化物鈣鈦礦薄膜中的陷阱態分佈進行成像，發現旨在消除不均勻和扭曲的晶粒鈍化和生長策略對於消除性能損失和不穩定性至關重要，提出的相關多模型框架的應用範圍遠遠超出鹵化物鈣鈦礦，將適用於廣泛的導體材料家族，包括無機和二維材料。
鹵化物鈣鈦礦材料在低成本光電領域中具有廣闊的應用前景。由鈣鈦礦光吸收劑製成的光伏器件在單結器件中的功率轉換效率超過25%，在串聯器件中達到28%。雖然在一定程度上還分別低於30%和35%理論限度，但通過在低溫下由液體加工而成的薄膜而展現出的強大性能仍然是令人驚訝的，同時這種製備方法會導致大量的晶體缺陷產生。儘管點缺陷通常只在鈣鈦礦帶隙中誘導出不影響性能的淺電子態，但鈣鈦礦器件在帶隙內仍具有許多狀態，同時這些狀態會俘獲電荷載流子並使它們非輻射重組。這些深陷阱狀態因此引起光致發光的局部變化並限制了器件性能。迄今為止，這些陷阱態的起源和分佈是未知的，但它們往往與混合鹵化物鈣鈦礦成分中的光誘導鹵化物偏析以及局部應變有關，從而導致了器件的不穩定。
近日，英國劍橋大學卡文迪什實驗室Samuel D. Stranks教授與日本沖繩科技大學大學 Keshav M. Dani教授（通訊作者）使用光發射電子顯微鏡對最新的鹵化物鈣鈦礦薄膜中的陷阱態分佈進行成像。結果表明，
在納米尺度上控制材料結構和成分對於鹵化物鈣鈦礦器件的最優性能至關重要。相關論文以題為“Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halideperovskites”於2020年4月15日發表在Nature上。論文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2184-1
研究表明，與低光致發光效率區域的均一分佈不同，本文使用的鈣鈦礦薄膜上的陷阱態分佈呈現離散、納米尺度團簇分佈的特點。同時，通過將顯微鏡測量與掃描電子分析技術聯繫起來，發現這些陷阱團簇通常出現在不同晶體結構和不同成分致的界面上。此外，通過在光激發載流子捕獲過程中產生的時間分辨光電發射序列，揭示了空穴陷阱特性，其動力學受到空穴向局部陷阱團簇的擴散的限制。
圖1.光電子顯微鏡顯示陷阱位點的空間分佈。（a）掃描區域空間的平均光電發射光譜；（b）鈣鈦礦樣品的能級圖；（c）由PEEM（藍色）映射的納米陷阱團簇與局部PL強度之間的非線性關係；（d）PEEM圖像顯示的納米級陷阱團簇（藍色）的位置；（e）從4.65 eV脈衝（藍色）到6.2eV脈衝（灰色）強度的線性圖；（f）相應的AFM圖像。
圖2.探測與納米級陷阱簇相關的晶粒組成。（a）材料HAADF-STEM圖像，以顯示出形態晶粒；（b）根據STEM-EDX測量的鹵化物強度Pb強度的比率；（c） 鹵化物中溴化物強度分數。
圖3.納米級陷阱態異質結的高分辨率衍射和組成特性。（a）從原始區域的STEM-EDX圖譜中提取的均勻的鹵化物比例；（b）從d中提取的原始晶粒圖像；（c）a和b中組成均勻的晶粒的平均衍射圖樣，顯示出立方晶體結構；（e）從d中的藍色區域提取的不均勻的鹵化物比例，以顯示出不均勻晶粒存在；（f） 從藍色區域的SED數據中提取的圖像；（g）來自e和f的不均勻晶粒的平均衍射圖；（h）示意圖顯示陷阱（T）聚集在組成和結構均勻的立方區域與非均勻、扭曲區域之間的界面上。
圖4.納米級光激發載流子捕獲動力學。（a）來自（Cs0.05FA0.78MA0.17）PbI3薄膜的PL和PEEM疊加圖像；（b）用於光電子成像的TR-PEEM裝置示意圖；（c）測得的TR-PEEM信號與延遲時間I（t）之間的函數；（d，e）a中標記區域的TR-PEEM圖像，顯示激發後光發射強度隨時間延遲的變化；（f）幾個陷阱的PEEM圖像；（g）從f的納米尺度圖像中提取TR-PEEM信號；（h）不同的陷阱位點強度I0的擬合時間常數τ2。
總之，綜合結果表明，在具有預期鹵化物比的原始晶粒與立方結構之間，以及在成分上不均勻且結構扭曲的晶粒之間的界面處，會形成深的光激發空穴陷阱。同時，與非輻射覆合相關的陷阱位點出現在納米級團簇中，這會影響電荷載流子壽命和太陽能電池開路電壓，並最終限制器件性能。
儘管人們一致認為，隨著混合鹵化物系統中鹵化物含量的均勻化，器件性能會提高，但這種改進的基礎機制尚不清楚。這些表面陷阱在晶粒之間的局部結點處形成這一事實為消除有害陷阱態提供了合理的策略，並表明其他陷阱可能不會在其他位置形成。
因此，旨在消除這些不均勻和扭曲的晶粒的鈍化和生長策略對於消除性能損失和不穩定性至關重要。陷阱簇的局部但稀疏分佈的性質也可以使人們深入瞭解材料的表面缺陷。最後，本文提出的相關多模型框架的應用範圍遠遠超出鹵化物鈣鈦礦：
定位和識別深阱態的結構和組成的能力將適用於廣泛的導體材料家族，包括無機和二維材料。（文：Caspar）本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。
