柳百新: 无铅卤化物双钙钛矿晶界缺陷工程改善光电性能

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由于CH3NH3PbI3具有铅毒性和不稳定性，因此探索无毒、稳定的卤化物钙钛矿非常有意义。最近，新一代无铅卤化物双钙钛矿(HDPs)(A2B1+B'3+X6)是一种有望克服有机无机卤化物钙钛矿材料固有缺点的稳定环保的光电材料。迄今为止，研究人员已成功合成了几种HDP，如Cs2AgInCl6、Cs2AgBiX6(X = Cl, Br)等。然而，实验中所观测到的HDP的器件性能低于其理想值，因此探索其性能差距的物理起源以及如何提高其效率成为一个重要的科学问题。与其他传统半导体类似，HDP的器件性能可能受其有害缺陷的限制，包括晶体内部(GI)和晶界(GB)缺陷。因此，亟待了解HDP中低能晶界的电子特性以及其如何影响HDP的光电和器件性能。

近日，清华大学材料学院柳百新院士课题组等利用第一性原理计算，发现一些特定种类的晶界由于其较低的形成能而很容易在多晶HDP中出现，而在其他传统钙钛矿材料中晶界的形成能往往较高。更为重要的是，低能量的Σ5(310) 晶界会在第I类和第II类HDP的带隙中间产生深能级缺陷态，这些深能级缺陷态有可能会成为电子-空穴复合中心而极大地损害HDP的服役性能。本工作研究者通过对晶界中的缺陷进行调控设计来实现无铅HDP材料更优越的光电性能。发现通过特定的本征缺陷或者缺陷复合物的引入可以分别有效消除第II类和第I类HDP晶界中的深能级缺陷。同时，通过细致的化学势点筛选，发现在一些预先设计的特定精确的生长条件下，这些缺陷或缺陷复合物会自发地偏聚到HDP的晶界中心，而且可以有效地抑制体相中的有害深能级缺陷。此外，和很多其他半导体类似，本工作研究者发现在被缺陷或缺陷复合物钝化后的晶界中会出现能带弯曲的现象，这有利于HDP薄膜中载流子的分离。通过独特的化学方法对晶界进行调控是一种普世的方法，可以应用到其他多晶材料中，这为设计具有更优越光电性能的多晶钙钛矿提供了新的观点和指导。

研究成果以“Defect Engineering of Grain Boundaries in Lead-Free Halide Double Perovskites for Better Optoelectronic Performance”为题发表在《Advanced Functional Materials》上[Adv. Funct. Mater. 2019, 1805870]。清华大学材料学院博士生徐健为论文第一作者，合作者包括北京计算科学研究中心的黄兵研究员。

文献链接：Defect Engineering of Grain Boundaries in Lead-Free Halide Double Perovskites for Better Optoelectronic Performance (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201805870)