国家纳米科学中心中科院纳米系统与多级次制造重点实验室丁黎明

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有机无机杂化钙钛矿由于其卓越的光电特性，被认为是极具潜力的新一代光伏材料，引起了广泛的研究兴趣。随着钙钛矿太阳电池效率的不断提升，越来越多的研究工作逐渐转向器件物理的研究，这就需要将钙钛矿器件直接暴露于空气中。因此，具有良好的空气中可操作性的钙钛矿太阳电池亟待研发。众所周知，各种存在于晶界和晶体表面的晶格缺陷和晶体电荷缺陷位，诸如带有正电荷的未化学成键的Pb2+阳离子，可移动的I–阴离子，有机阳离子的空位缺陷是导致钙钛矿电池低性能以及快速降解的重要因素。因此，一种有效的全缺陷钝化策略则有助于获得高效的钙钛矿太阳电池，以使其具有良好的器件寿命和较好的空气可操作性。

       北京大学刘希夏博士、新加坡国立大学国家太阳能研究所程远航博士联合中国国家纳米科学中心丁黎明研究员提出了一种在钙钛矿块体和表面空间立体引入半胱胺盐酸盐(CAS-Cl)的全缺陷钝化策略，成功钝化了钙钛矿中的缺陷态，实现可在空气中高效运行的钙钛矿太阳电池。该工作也得到了新加坡国立大学材料科学与工程系Gong Hao教授、Yu Zhigen副教授和新加坡国立大学国家太阳能研究所Lin Fen研究员的大力支持。相关结果发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.202001958）上。
        该研究工作首先通过第一性原理计算揭示CAS-Cl与钙钛矿的多重缺陷位形成有效的化学作用，证明其对钙钛矿带间缺陷态的钝化作用。进而采用瞬态飞秒吸收谱（fs-TA）表明全缺陷钝化钙钛矿的光生载流子寿命得到大幅度提升。光热偏转光谱（PDS）和不同频率下的器件电容测试（C-F）结果表明相比于标准钙钛矿，CAS-Cl全缺陷钝化钙钛矿薄膜和器件均具有较低的缺陷态浓度。最终，最优的CAS-Cl全缺陷钝化的反式平板钙钛矿太阳电池表现出近21%的高光电转换效率。不仅如此，该全缺陷钝化的钙钛矿太阳电池在空气中的运行时长也得到了数倍的提升，有助于各类高效稳定钙钛矿光电器件的发展。