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张跃院士CSR综述:碱金属掺杂助力高性能钙钛矿光伏电池2021-01-30

▲第一作者:Ammarah Kausar,Abdul Sattar,徐晨哲

通讯作者:康卓教授,张跃院士

通讯单位: 北京科技大学

论文DOI:10.1039/d0cs01316a

研究背景

金属卤化物杂化钙钛矿光伏电池作为下一代光伏技术的强力竞争者,不断在世界范围掀起研究热潮。纵观钙钛矿光伏电池十余年发展历程,碱金属掺杂作为组分工程的重要手段之一,独树一帜,在钙钛矿光伏电池发展道路上主导了众多里程碑式突破。大量研究证实,碱金属掺杂策略对解决钙钛矿可控生长和高效稳定服役过程中的关键问题发挥了不可替代的作用。但由于钙钛矿材料体系的复杂性、电子束敏感性以及实验表征技术的局限性,碱金属在多晶钙钛矿薄膜中掺杂位点尚未完全明晰,主导其发挥积极作用的内在机制也尚未系统揭示。鉴于此,系统回顾钙钛矿光伏电池的发展历程及里程碑突破,详细论述碱金属掺杂策略的最新相关进展,综合探讨碱金属在钙钛矿中的掺杂位点、功能优势及作用机制,全面厘清其相关构效关系并展望潜在技术突破点,对多阳离子钙钛矿组分工程的发展具有重要意义。

 

本文亮点

● 系统讨论了适用于钙钛矿材料组分研究的精确表征技术,梳理了现有手段的探测机理与优势特色,理论结合实验全面分析了碱金属在多晶钙钛矿薄膜中的潜在掺杂位点。

● 提出了掺杂位点主导功能化的核心思路,剖析了碱金属在钙钛矿材料中所发挥的特色功能及工作机制,阐明了碱金属在钙钛矿材料中掺杂位点与差异化功能间的内在关联。

● 面向结晶生长诱导、晶体结构优化、薄膜缺陷钝化、电子结构调控和离子迁移抑制等功能目标,全面讨论了碱金属掺杂优势的侧重点差异,为杂化钙钛矿精准组分工程提供了解决方案。

● 探讨了完善高精度、低损伤表征技术的必要性,展望了高通量计算、数据挖掘及机器学习方法对解决碱金属掺杂策略发展瓶颈问题的优势,为继承并进一步发展杂化钙钛矿组分工程策略、设计筛选多阳离子高效级联掺杂方法提供了指导思路。

文章解析

本文从碱金属的掺杂位点出发,综合考虑了掺杂浓度、钙钛矿材料体系及其他活性功能层对碱金属元素分布的多重影响,详细论述了碱金属在多晶钙钛矿薄膜中A位、间隙位、表面及晶界分布的可能性,系统归纳了元素分布检测的相关表征技术,总结并对比了其定性定量分析的机理与特色优势。

以掺杂位点主导功能化为核心思路,讨论了Cs+在钙钛矿容忍因子调节与晶体结构优化方面的突破性贡献,分析了Cs+诱导生长结晶过程实现钙钛矿薄膜高重现性可控制备的根源,归纳了Cs+抑制光致相分离、管理卤素同质化分布的作用机理,总结了其在A位诱发晶胞变化对钙钛矿晶面取向、能带结构和光生载流子动力学的调控效果与机制;汇总解析了Rb+降低钙钛矿光敏相焓变需求阈值从而提升相稳定性的原理,探讨了Rb+针对钙钛矿结晶动力学调控和卤素同质化分布等方面发挥的关键作用,总结揭示了Rb+缓解卤素离子迁移与晶格残余应力的内在机制,概括了表面/晶界富Rb相钝化薄膜缺陷、减少载流子非辐射复合的优异效果;归纳明晰了K+有效增加离子迁移势垒、缓解离子迁移行为与改善电池I-V滞后现象的工作机理,深入探讨了富K相对界面缺陷态的钝化抑制功效,探究了K+优化电子结构与促进光生载流子输运的工作机制,突出了K+对解决低维钙钛矿晶粒取向随机性和相分布不均匀等难题的巨大优势;展现了多种形式的Na+掺杂钝化钙钛矿表面/晶界处缺陷、抑制卤素离子迁移行为的积极效果;展示了间隙位Li+对多晶薄膜内部缺陷态抑制以及界面处Li+对光生电荷提取输运与层间能带匹配高效调控的可能性。基于关于碱金属在钙钛矿材料中所发挥特色功能的系统讨论,本文旨在全面分析碱金属掺杂优势的侧重点差异,建立碱金属在钙钛矿材料中掺杂位点与差异化功能间的内在关联,为进一步发展杂化钙钛矿精准组分工程提供针对性解决方案。

展望

本文指出,碱金属掺杂在掺杂位点明晰、钝化缺陷类型鉴别与效果量化、诱导钙钛矿生长结晶过程原位表征、抑制离子迁移机制和动力学过程揭示等方面仍存在重大挑战;探讨了发展基于同步辐射的原位表征手段,并继续完善高精度、低损伤表征技术的必要性;展望了结合实验研究与机器学习技术,通过数据驱动方法精确分析高通量实验数据的潜在贡献,为合理筛选高效级联掺杂方法并充分发挥多阳离子协同掺杂策略优势提供了指导思路,力争不断缓解、突破杂化钙钛矿发展瓶颈。

研之成理