鈣鈦礦多晶薄膜的表面作為溶液法半導(dǎo)體的生長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，這些缺陷的存在會導(dǎo)致嚴重的非輻射復(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，大量研究工作針對鈣鈦礦薄膜表面缺陷采用各種的功能性分子進行表面鈍化，其中功能性分子的選取與設(shè)計僅僅針對特定的一種或兩種表面缺陷，而真實的多晶鈣鈦礦表面化學(xué)環(huán)境復(fù)雜，生長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多晶鈣鈦礦表面多種缺陷有效鈍化的問題，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，最終實現(xiàn)了效率超過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，并被編輯作為當期的能源亮點（Energy Spotlight）進行報道評述（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，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被認為會在鈣鈦礦薄膜當中產(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，最終光伏器件實現(xiàn)了超過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)并為通過多種表面缺陷管理實現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏器件提供全新思路。
