揭示钙钛矿太阳能电池中的离子缺陷景观
近年来，所谓的金属卤化物钙钛矿材料组已经彻底改变了光伏领域。一般来说，金属卤化物钙钛矿是遵循 ABX3 结构的晶体材料，具有不同的成分。这里，A、B 和 X 可以代表不同有机和无机离子的组合。这些材料具有许多非常适用于太阳能电池的特性，可以帮助制造更高效的光电子设备，如激光器、发光二极管 (LED) 或光电探测器。关于开发资源和能源效率高的技术，对这些材料的研究具有很高的相关性。
金属卤化物钙钛矿的优点包括其高光捕获能力和将太阳能有效转化为电能的显着能力。这些材料的另一个特点是电荷载流子和离子都可以在其中移动。虽然电荷载流子传输是太阳能电池光伏运行所需的基本过程，但离子缺陷和离子传输通常会对这些器件的性能产生不良影响。尽管该研究领域取得了重大进展，但关于钙钛矿材料中离子物理的许多问题仍然悬而未决。
在更好地理解这些结构的过程中，开姆尼茨和德累斯顿的技术大学现在向前迈出了一大步。在围绕 Yana Vaynzof 教授(德累斯顿应用物理研究所和电子推进中心新兴电子技术主席 -- cfaed，德累斯顿工业大学)和 Carsten Deibel 教授(光学和Photonics of Condensed Matter, Chemnitz University of Technology)在开姆尼茨理工大学的领导下，两个团队揭示了金属卤化物钙钛矿中的离子缺陷景观。他们能够确定构成这些材料的离子的基本特性。离子的迁移导致材料中存在缺陷，这对钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性有负面影响。工作组发现，所有观察到的离子的运动，尽管它们具有不同的特性(例如正电荷或负电荷)，但都遵循共同的传输机制，并且还允许分配缺陷和离子。这被称为迈耶-内德尔规则。结果发表在期刊上自然通讯。
“探测钙钛矿材料的离子缺陷景观并不是一项简单的任务，”开姆尼茨理工大学凝聚态光学和光子学主席、该出版物的第一作者 Sebastian Reichert 说。“我们需要对有意引入缺陷并逐渐调整其类型和密度的钙钛矿样品进行广泛的光谱表征。因此，两个团队的专业知识都非常宝贵，”Reichert 解释说。
阐明基本的传输机制
“我们研究中最重要的结果之一是钙钛矿材料中离子和电子景观之间错综复杂的相互作用，”Vaynzof 教授补充道，“通过改变钙钛矿材料中各种离子缺陷的密度，我们观察到电位和器件的开路电压受到影响。”这突出表明缺陷工程是一种强大的工具，可以将钙钛矿太阳能电池的性能提高到超越现有技术的水平。
联合研究还发现，所有离子缺陷都符合所谓的 Meyer-Neldel 规则。“这非常令人兴奋，因为它揭示了钙钛矿中离子跳跃过程的基本信息，”戴贝尔教授说。“我们目前对这一观察结果的起源有两个假设，我们计划在未来的研究中调查这些假设。”
背景：开姆尼茨和德累斯顿在 DFG 的 SPP 2196 中的合作
Carsten Deibel 的研究小组在阻抗和深能级瞬态光谱领域处于领先地位，这是研究半导体材料缺陷的强大方法。Yana Vaynzof 小组开发了一种方法，通过有意修改沉积它们的溶液的化学计量，来影响和控制钙钛矿材料中缺陷的类型和密度。然后将这些材料用于生产太阳能电池，以便它们的光谱特征可以直接与其光伏性能相关联。
作为德国研究基金会 (DFG) 优先计划 (SPP) 2196 钙钛矿半导体：从基本特性到应用的一部分，这两个团队正在开展他们的联合项目钙钛矿缺陷：物理、进化和稳定性 (PERFECT PVs)。
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2021-06-11
