鈣鈦礦多晶薄膜的表面作為溶液法半導(dǎo)體的生長(zhǎng)終端相較于體相存在大量本征缺陷，比如空位、替位、反位缺陷等，這些缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的非輻射復(fù)合以及離子遷移，從而限制光伏器件效率及穩(wěn)定性的提升。
目前，大量研究工作針對(duì)鈣鈦礦薄膜表面缺陷采用各種的功能性分子進(jìn)行表面鈍化，其中功能性分子的選取與設(shè)計(jì)僅僅針對(duì)特定的一種或兩種表面缺陷，而真實(shí)的多晶鈣鈦礦表面化學(xué)環(huán)境復(fù)雜，生長(zhǎng)不完全的晶體中必然存在多種半導(dǎo)體缺陷（圖）。因此，選擇合適的功能性材料同時(shí)有效鈍化多種表面缺陷是提升鈣鈦礦光伏器件性能的關(guān)鍵一步。
北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所朱瑞課題組與工學(xué)院于海峰課題組針對(duì)多晶鈣鈦礦表面多種缺陷有效鈍化的問(wèn)題，選取含吡啶單元的穩(wěn)定聚合物材料poly(4-vinylpyridine) （P4VP），在鈣鈦礦表面形成多重化學(xué)相互作用，從而有效鈍化多種鈣鈦礦表面缺陷，最終實(shí)現(xiàn)了效率超過(guò)23%的高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏器件。
相關(guān)成果發(fā)表在ACS Energy Letters（DOI：10.1021/acsenergylett.1c01039）上，并被編輯作為當(dāng)期的能源亮點(diǎn)（Energy Spotlight）進(jìn)行報(bào)道評(píng)述（DOI：10.1021/acsenergylett.1c01321）。
得益于聚合物P4VP中大量的吡啶單體，含有孤對(duì)電子的吡啶N可以與鈣鈦礦表面的不飽和Pb形成配位鍵，填充鹵素空位，依據(jù)姜-泰勒效應(yīng)，配位鍵的形成調(diào)控了Pb-I八面體構(gòu)型，使表面晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，優(yōu)化了多晶鈣鈦礦的表面態(tài)（電子結(jié)構(gòu)），從而利于光生載流子的傳輸與提??；同時(shí)，吡啶N可以與鈣鈦礦材料中A位甲胺/甲瞇的N-H單元形成氫鍵，從而抑制鈣鈦礦晶體中易揮發(fā)有機(jī)組分的離子遷移，提升了總體鈣鈦礦薄膜表面離子遷移的活化能，降低了有機(jī)空位及替位缺陷密度；此外，吡啶單元可以與鈣鈦礦材料中由于薄膜制備和分解而產(chǎn)生的I2形成鹵鍵，I2被認(rèn)為會(huì)在鈣鈦礦薄膜當(dāng)中產(chǎn)生電子缺陷，因此表面鹵鍵的形成可以很好地抑制鈣鈦礦薄膜中的電子缺陷，并阻擋了由于I2遷移對(duì)上層傳輸層的有害摻雜以及與金屬電極的不良反應(yīng)。
經(jīng)過(guò)P4VP處理的鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)出更低的缺陷態(tài)密度以及良好的穩(wěn)定性，最終光伏器件實(shí)現(xiàn)了超過(guò)23%的光電轉(zhuǎn)換效率以及優(yōu)異的光、熱、濕穩(wěn)定性。該工作為實(shí)現(xiàn)低缺陷、高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜表面提供全新指導(dǎo)并為通過(guò)多種表面缺陷管理實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏器件提供全新思路。
