卤化物钙钛矿材料中的取向调控

【作者】 赵清； 骆超；

【机构】 北京大学；

【摘要】 晶面取向单一纯净的钙钛矿晶体往往具备更好的晶体质量和更优异的器件性能。若能有利调控钙钛矿的晶面取向,将有机会从晶体生长的底层设计出发,显著提升钙钛矿的光电性能。我们利用二维种子诱导三维钙钛矿晶体的定向生长,实现了对钙钛矿薄膜晶面取向的调控和晶体质量的显著提升。该工作在两步法中将预先合成的本征高取向性的二维Dion-Jacobson相（BDA）PbI₄引入到PbI₂薄膜中作为晶种,当有机盐在第二步旋涂到预埋二维晶种的PbI₂薄膜上后,由于晶种尺寸显著大于钙钛矿晶体生长所需的临界成核半径,钙钛矿晶体结晶直接越过形核阶段而优先进入以晶种为核心的外延生长。由于晶种具有高且纯净的（00L）取向,通过晶种诱导外延生长的三维钙钛矿也具有非常高且纯净的（001）和（002）取向（如图1所示）。基于同步辐射的GIWAXS还证实了（001）晶面以更有利于载流子垂直运输的方式堆叠,有利于太阳能电池器件的填充因子显著提升。二维晶种完成晶面取向诱导后分布在晶界处,优化了表面晶界的电势,有利于载流子的提取。二维晶种具有本征的高疏水性,有利于钙钛矿薄膜的稳定性提升。二维晶种在晶界还显著抑制离子迁移的发生,提高光电器件的运行稳定性。基于该策略制成的太阳能电池器件的光伏性能得到显著提升。开路电压从1.06 V提升到1.14 V,填充因子从0.820显著地提高到0.847,能量转换效率从21.03%提高到了23.95%。此外,柔性太阳能电池也表现出超过20%的效率。MPP追踪的光照运行稳定性在60摄氏度下运行500小时保持超过90%的初始效率。更多还原