钙钛矿表面缺陷钝化的结构分子构型

时间:2020-01-09 18:24 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

钙钛矿表面缺陷钝化的结构分子构型

材料科学家的目标是使表面陷阱介导的非辐射电荷重组工程高效的金属卤化物钙钛矿光电(太阳能电池)。由于表面缺陷处的非生产性电荷重组会限制混合钙钛矿太阳能电池的效率,科学家可以使用小分子结合钝化缺陷(诱导酸碱化学处理)。钙钛矿晶格的离子性质可以通过官能团与表面缺陷的相互作用使分子缺陷钝化。然而,对于分子构型如何影响钝化效率以促进合理的分子设计,目前还缺乏深入的认识。

在一份新的报告科学,瑞王,一个跨学科的研究团队部门的物理、材料科学与工程、纳米工程,化学和生物化学和功能纳米与软材料学院在美国和中国,调查官能团的化学环境为缺陷激活钝化。他们进行了实验,利用茶碱、咖啡因和含有羰基(C=O)和氨基(N-H)的可可碱化合物,提高钙钛矿光电的能量转换效率。在茶碱处理的实验中,氨基氢与碘表面的氢键优化了羰基与铅(Pb)反位缺陷的相互作用,使钙钛矿细胞的效率从21%提高到22.6%。

材料科学家将缺陷钝化作为减少非生产性电荷重组和提高太阳能电池多晶金属卤化物钙钛矿薄膜光电转换效率(PCE)的重要策略。基于路易斯酸碱化学,钙钛矿晶格的离子性质可以通过坐标结合促进分子钝化。根据分子设计规则,科学家可以为这种表面缺陷钝化活动选择具有最佳结合构型的分子。在这项工作中,Wang等人通过缺陷识别证明了钙钛矿(PV)器件的高效率,并对缺陷钝化的活性官能团周围的化学环境进行了合理的设计和广泛的研究。在高质量的钙钛矿多晶薄膜中,与表面缺陷相比,内部缺陷可以忽略不计。

钙钛矿表面缺陷钝化的结构分子构型

研究小组使用密度泛函理论(DFT)计算来比较钙钛矿表面选定的天然缺陷的形成能。由于钙钛矿的带边缘由铅(Pb)和碘(I)轨道组成,Wang等人专门研究了涉及点缺陷、Pb空位(VPb)、I空位(VI)和Pb-I反位缺陷的Pb和I。利用x射线光电子能谱(XPS),研究小组证实了用两步法合成的合成钙钛矿薄膜表面是富含pb的。然后使用原子结构的顶层视图,研究表面缺陷,然后使用色散校正3 (DFT-D3)方法计算缺陷形成能量(DFE)。在此基础上,研究团队将重点放在表面Pb与反位缺陷的相互作用上,考虑缺陷钝化的候选分子。为此,他们选择了一组具有相同官能团的小分子,尽管它们的化学结构有战略性的变化,包括茶碱、咖啡因和可可碱,来与缺陷相互作用。

钙钛矿表面缺陷钝化的结构分子构型

这些分子通常存在于茶、咖啡和巧克力等天然产品中,因此很容易获取。这些分子在本质上也是非挥发性的,这使得它们适合与钙钛矿缺陷的相互作用,以保证设备的长期稳定性。Wang等人通过后处理技术将茶碱添加到钙钛矿薄膜表面,从而将PV设备中的PCE(功率转换效率)从21%提高到23%。他们测试了有和没有茶碱处理的光伏器件的电流密度-电压曲线,并认为由于茶碱上的C=O基团与反位点的Pb表面缺陷之间的路易斯碱-酸相互作用,导致了提高的开路电压(VOC)被茶碱钝化。然后他们比较了用茶碱处理过的装置和用咖啡处理过的钙钛矿PV装置的结果。

随后,Wang等人将N-H基团定位在可可碱相同的六元环上的C=O(羰基)基团旁,使两基团之间的距离缩短,使空间有效相互作用失效,形成更弱的相互作用能(Eint) -1.1 eV。结果强调了N-H和C=O基团的结构构型对形成高效、稳定的钙钛矿的重要性。Wang等人使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱研究了C=O和pbi2端钙钛矿表面与不同构型的相互作用的变化。他们检测了三种分子的表面钝化效应,使用不同的配置和光致发光(PL),并观察到在茶碱处理后PL强度明显增加。他们还观察到咖啡因处理后PL强度增强,但没有茶碱强,与对照物质相比,可可碱的PL强度降低;他们认为这是由于钝化剂的破坏性分子结构产生了更多的电荷复合位点。

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然后,科学家们推断出态阱密度(tDOS),即。通过角频率相关的电容作为缺陷能量的函数,在预制器件内的状态数。结果表明,与对照物质相比,茶碱和咖啡因处理的钙钛矿装置的陷阱态有所减少。相比之下,可可碱治疗诱导更多的陷阱,与观察到的PCE下降一致。王等人证实tDOS的变化与不同表面处理使用的理论模型并进行了电化学阻抗谱(EIS)表征理解照明下承运人运输过程的接口。

经茶碱表面处理的器件阻抗最小;表示从减少的表面缺陷状态在界面上产生了一个实质上被抑制的电荷重组。咖啡因处理过的设备记录了更大的阻抗,而可可碱处理过的设备显示了更大的阻抗。为了理解茶碱处理过的钙钛矿界面,科学家们利用紫外光电子能谱(UPS)对其进行了进一步表征,以测量其表面带结构。然后结合原子力显微镜(AFM)和开尔文探针力显微镜(KPFM)了解茶碱对表面形貌和表面电位的影响。在保持表面形貌不变的情况下,经过茶碱处理的表面表现出比基准膜更高的电子化学势。

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在茶碱处理后,钙钛矿膜的载运寿命略长,而在膜上增加空穴传输层以减少复合和增加吸收性能后,其衰减速度更快。改进的载体动力学源于茶碱表面的有效钝化。Wang等人使用电子束感应电流(EBIC)测量进一步表征了表面;与参比装置相比,茶碱处理过的装置表现出更高的EBIC电流,以表明增强了载流子收集效率。

茶碱处理还使钙钛矿层的衰变降到最低,从而减少了表面复合位点,并显示出可忽略的迟滞(微观表面缺陷)。经过茶碱处理的设备在潮湿的环境条件下储存60天,其增强的货架稳定性可以保持> 95%的原始PCE。通过这种方式,Wang Rui和他的同事将茶碱用于光伏设备的长期稳定运行后,获得了稳定的功率转换效率。

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