Joule：探索钙钛矿光伏性能最佳晶面取向

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2022年第三十四期（总第119期）专栏文章，由来自中国科学院福建物质结构研究所副研究员 中科院青年创新促进会会员 姬成敏，就 Joule中的论文发表述评。

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的制备工艺简单，光电转换效率高，同时可以大规模溶液法制备，被认为是新一代最具前景的光伏材料之一，有望成为光伏产业发展的下一个突破口。目前钙钛矿电池多以薄膜形式存在，其晶面取向通常直接影响着器件的光伏性能。通过晶面取向的精准调控，是提高光伏器件性能的重要策略。然而，目前杂化钙钛矿晶面和光伏性能之间的内在规律还不清楚，对钙钛矿晶体生长和晶面取向进行有效调控还颇具挑战。

针对上述问题，近日来自Sungkyunkwan大学的Nam-Gyu Park教授团队通过改变FAPbI3前驱体溶液添加剂来有效调控钙钛矿结晶行为，获得了不同晶面取向的钙钛矿薄膜。作者系统地研究了钙钛矿不同晶面的光电特性和载流子输运性能，并结合DFT理论计算，阐明了 (100) 和 (111) 面为光伏性能最佳的晶面。与 (110) 晶面相比，(100) 和 (111) 优化了表面晶界的电势，降低了载流子非辐射复合损失和陷阱态密度，提高了载流子迁移率。其薄膜太阳能电池实现了高达24.64%的准稳态转换效率，并且显著提高了器件的光照稳定性。该研究揭示了钙钛矿光伏性能最佳的晶面取向，为制备高质量钙钛矿光伏材料提供了重要的研究思路。该文章10月18日在线发表在Cell Press旗下旗舰期刊Joule上。

如图1所示，作者通过在FAPbI3的前驱体溶液中分别加入1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) 和 (piperidine) PPD作为添加剂，精细调控钙钛矿薄膜的结晶行为和晶面取向。其中含PPD的FAPbI3薄膜表现出规则的形貌，表现出 (100) 和 (111)的择优取向。同时从XRD谱中也可以看出，含PPD添加剂的FAPbI3薄膜表现出强的(100) 和(111)的衍射峰。进一步作者通过SEM和TEM等手段也证实了PPD诱导FAPbI3生长时的择优取向为 (100) 和 (111) 晶面。

▲图1 (A) 含不同添加剂的FAPbI3的薄膜的SEM图谱。(B)不同的前驱体溶液制备的薄膜的XRD图谱。(C)FAPbI3的TEM 图谱及相应的选区电子衍射图谱。(D)FAPbI3的HRTEM图谱，其中(100) and (111) 晶面间距分别为6.4 and 3.7 Å。(E) FAPbI3晶体结构。(F) 从HRTEM得到的FFT谱图

进一步，作者分别从原子排列方式和对称性层面揭示了钙钛矿不同晶面的电子特性和载流子输运特性，阐明了晶面取向和光电性能的内在规律，发现了(100) 和 (111) 晶面具有高的介电常数、低的激子结合能、低的陷阱态密度、大的光电流和高的载流子迁移率(1.3 cm2/V·s)。基于(100) 和 (111)晶面的太阳能电池器件，实现了24.64%的准静态转换效率 (图2C), 其开路电压达到1.17 V, 填充因子达到0.8298。值得关注的是，含PPD添加剂的钙钛矿离子迁移活化能高达188 meV, 降低了薄膜器件的离子迁移，有效提升了其光照稳定性(图2D)。

▲图2 (A-C)含不同添加剂的FAPbI3的薄膜太阳能电池光电转换效率。(D) 含不同添加剂的FAPbI3的薄膜太阳能电池光照稳定性测试

简而言之，该工作通过加入不同的添加剂，实现了钙钛矿FAPbI3不同晶面取向的有效调控。作者通过光电测试和理论计算研究不同晶面的电子特性，发现，与(110)晶面相比，(100)和(111)晶面降低了材料陷阱态密度，提高了载流子迁移率和光电流。研究表明，只含(100)和(111)晶面的薄膜太阳能电池实现了高达24.64% 的准稳定态转换效率，并且显著提高了器件的光照稳定性。该研究结果不仅为高性能的单晶钙钛矿薄膜制备和组装提供了一种新的策略，同时还揭示了钙钛矿不同晶面的电子特性及其对光伏性能的影响。

论文摘要

探索钙钛矿晶体性能最好的晶面对发展高效的钙钛矿太阳能电池是至关重要的。然而，目前人们对钙钛矿的主要的晶面(例如：(100)，(110)，(111))的特性的研究仍然不多。本文中，作者证明了通过精细调控钙钛矿薄膜的结晶行为能够精准控制其晶面取向。研究发现，具有不同原子密度和对称性的钙钛矿晶面影响着钙钛矿表面的化学和电子环境，并对光伏性能产生重要影响。(100)和(111)晶面的载流子迁移率和光电流基本一致，并且远高于(110)晶面。单晶薄膜钙钛矿电池的准稳态(QSS)转换效率达到24.64%，对光的稳定性得到显著提高。该工作揭示了卤化物钙钛矿晶面的光电性质，为组装高效的钙钛矿太阳能电池提供了一种新的思路。

Discovering the top-performing facets of perovskite crystals holds the secret to highly efficient perovskite solar cells (PSCs). However, the dominated facet properties of perovskite (i.e., (100), (110), (111) facets) remain elusive. Here, we demonstrate that exquisite control of the perovskite film formation enables the formation of perovskite polyhedral single crystals with well-defined facets. It is found that facets with variant densities and symmetries of atoms govern the perovskite surface chemical and electronic environment and generate significant effects on the photovoltaic performance. Carrier mobility and photocurrent of the (100) crystal facet are almost comparable with those of the (111) facets, which are much higher than those of the (110) one. With the single-crystal-assembled perovskite thin film, the PSC achieves a quasi-steady-state (QSS) efficiency of 24.64% with improved stability to light. Our work provides a deep understanding of the optoelectronic properties of halide perovskite facets.

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评述人简介

姬成敏

中国科学院福建物质结构研究所副研究员

中国科学院青促会会员

姬成敏，中国科学院福建物质结构研究所副研究员。主要从事杂化分子铁电晶态材料的研究，在分子铁电体的合成制备和光电性能的应用研究取得了系列研究成果。以第一/通讯作者在包括 J. Am. Chem. Soc., Angew., Adv. Funct. Mater.等主流期刊上发表SCI论文90余篇。2019年入选中国科学院青年创新促进会。

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