【文章信息】
钙钛矿太阳能电池中晶面依赖的异质界面载流子动力学
第一作者：张鹏翔
通讯作者：朱城，唐刚，张文凯
单位：北京师范大学，北京理工大学
【研究背景】
多晶钙钛矿薄膜的取向调控已被证明是制备高效稳定光伏器件的有效策略，因为它能够增强载流子迁移率、减少结构无序和缺陷态，并提高离子迁移活化能。然而，不同取向的薄膜具有多样的表面终端和复杂的缺陷态，其对界面载流子动力学的影响机制仍不清楚，这制约了器件性能的进一步提升。理解界面载流子动力学及表面结构的相互作用对提升钙钛矿太阳能电池性能至关重要。
【文章简介】
近日，来自北京师范大学的张文凯教授，北京理工大学的朱城助理教授和唐刚副教授，在知名SCI期刊Advanced Functional Materials上发表了题目为“Carrier Dynamics of facet-Dependent Heterogeneous Interfaces in High-Performance Perovskite Solar Cells”的文章，文章系统研究了不同晶面取向的钙钛矿薄膜与电荷传输层之间的界面载流子行为，揭示了晶面依赖的表面终端、界面构型及缺陷态对载流子提取的竞争机制，为提升钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性提供了新的理论依据。基于此，研究团队成功制备了具有高达25.26%光电转换效率（PCE）的太阳能电池，同时具备良好的稳定性，在最大功率点跟踪400小时后仍保持了90%以上的初始效率。
【本文要点】
要点一：晶面取向对载流子提取的影响
作者揭示了(001)和(111)取向钙钛矿薄膜与SAM形成的异质界面处的载流子动力学差异，即(001)/SAM异质界面的载流子提取能力远大于(111)/SAM异质界面，且同一取向的钙钛矿其上下界面的载流子提取能力也相差很大。作者通过瞬态吸收光谱（TA）和时间分辨光致发光光谱（TRPL）分析了载流子提取过程，结果表明，(001)顶部界面的载流子提取时间最短（0.57 ns），显著优于(111)顶部界面（1.32 ns）、(001)埋底界面（3.61 ns）及(111)埋底界面（5.87 ns）。作者认为，这种界面载流子提取能力的差异是由能带对齐、界面偶极子以及缺陷诱导的非辐射复合决定的。
图1. 取向诱导的界面载流子提取差异。
要点二：相同取向钙钛矿不同界面载流子动力学存在差异
作者进一步通过分析(001)取向钙钛矿薄膜的顶部界面和埋底界面载流子动力学行为，揭示了同一取向钙钛矿不同界面载流子提取速率的差异及其影响因素。研究发现，(001)顶部界面的载流子提取启动时间（~50 ps）显著早于埋底界面（~1000 ps），表明顶部界面具有更快的提取速率。光致发光量子产率（PLQY）和准费米能级分裂（QFLS）测试表明，(001)埋底界面缺陷密度较低，但其载流子提取效率较差，主要归因于其界面构型对应的能带对齐较差。相比之下，(111)埋底界面由于缺陷诱导的非辐射复合导致载流子提取速率更低。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，(001)顶部界面的强界面偶极和分子轨道重叠促进了载流子的高效传输。
图2. 相同取向钙钛矿顶部界面和埋底界面载流子动力学差异机制。
要点三：不同取向钙钛矿表面载流子动力学存在差异
作者通过对比(001)和(111)取向钙钛矿薄膜的界面特性，揭示了晶面依赖的表面终端对载流子动力学的影响。研究发现，(111)薄膜由于缺陷态导致的非辐射复合损失，使得其PLQY和QFLS较低（0.3%，1.07 eV），而(001)薄膜的PLQY和QFLS较高（5.3%，1.17 eV）。表面电位分析（KPFM）表明，(001)顶部界面的接触电位差（CPD）分布更窄，缺陷密度较低，而(111)界面存在更多深能级缺陷。密度泛函理论（DFT）计算也进一步证实了(111)界面引入了额外的缺陷态，而(001)界面保持了与体相相似的电子分布。这些结果表明，(111)取向薄膜的载流子提取效率较低，主要归因于缺陷态引起的非辐射复合。
图3. 不同取向钙钛矿表面缺陷态导致的载流子动力学差异。
要点四：优化异质界面提升载流子提取速率和器件稳定性
作者基于(001)和(111)取向的钙钛矿薄膜制备了p-i-n结构的太阳能电池，研究了载流子动力学对器件性能的影响。最佳的(001)-PSCs的PCE达到了25.26%，显著高于(111)-PSCs的22.13%。(001)-PSCs的开路电压（VOC）和填充因子（FF）分布更优，归因于其优异的能带对齐、强界面偶极和低缺陷密度。电致发光（EL）效率测试表明，(001)-PSCs的EL效率为3.2%，远高于(111)-PSCs的0.3%，表明其缺陷态密度较低。此外，(001)-PSCs在正反向扫描下的J-V滞后效应较小，且在最大功率点跟踪400小时后仍保持90%的初始效率。这些结果证明，通过优化晶面取向，构建合理的界面构型，可以有效抑制界面缺陷，改善能带对齐，从而提升异质界面载流子提取速率和器件稳定性。
图4. 钙钛矿太阳能电池性能和稳定性。
致谢：
作者非常感谢深圳翊阳科技有限公司和上海复享光学股份有限公司对提供QFLS测量设备（Lumin QY）的支持。
【文章链接】
Carrier Dynamics of facet-Dependent Heterogeneous Interfaces in High-Performance Perovskite Solar Cells
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202422783
【第一作者简介】
张鹏翔简介: 硕士就读于北京理工大学材料学院，师从陈棋教授；目前在北京师范大学攻读博士学位，师从张文凯教授。主要从事钙钛矿半导体材料的超快动力学研究及器件制备工作。
【通讯作者简介】
张文凯教授简介：2001 年本科毕业于中国科学技术大学化学物理系。2006 年博士毕业于中国科学院化学研究所。随后在美国加州大学伯克利分校、斯坦福大学、SLAC 国家加速器实验室以及宾夕法尼亚大学从事博士后研究。2015 年入选国家海外高层次人才青年项目，加入北京师范大学。主要学术兼职有应用光学北京市重点实验室主任、中国化学会化学动力学专业委员会委员、中国化学会时间分辨谱学专业委员会委员、北京光学学会理事、硬X射线自由电子激光装置项目科技委员会委员、上海软 X 射线自由电子激光装置第一届用户委员会委员等。张文凯教授长期致力于发展现代超快实验方法并应用于光电转化过程的研究。利用超快激光光谱、X 射线自由电子激光光谱等高精尖技术，在原子水平上研究了分子的结构和动力学，为控制光电转化与新型材料的研发提供了基本认识。在 Nature, Chem. Rev., Nat. Mater., Nat. Energy, Nat. Commun., Sci. Adv., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Nano. Lett., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Phys. Chem. Lett.等国际一流期刊发表100余篇学术论文。
朱城助理教授简介：北京理工大学前沿交叉科学研究院助理教授，博士毕业于北京理工大学材料学院，博士期间获北京理工大学最高荣誉奖学金——徐特立奖学金。主要研究方向为有机无机杂化钙钛矿半导体材料和复合功能薄膜的开发，可用于制备薄膜太阳能电池、柔性可穿戴光伏器件、高能辐照探测器等多类新型光电半导体器件。研究人基于同步辐射X射线技术，围绕钙钛矿材料微结构与光电响应多层次构效关系，探索多场耦合环境下材料退化机制与光伏器件失效分析，开发了材料取向演化、应力-应变调控及界面修饰等策略系统优化载流子动力学行为与器件稳定性，相关研究成果已发表学术论文40余篇，以第一/通讯作者（含共）在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letter、Joule、ACS Nano等杂志中发表SCI论文10余篇，论文总引用超4500次。在中国卓越行动计划高起点期刊Exploration担任青年编委，在SCI收录期刊Materials担任客座编辑，担任国际著名期刊Nature、Advanced Materials、The Journal of Physical Chemistry Letters等独立审稿人。
唐刚副教授简介：北京理工大学前沿交叉科学研究院预聘副教授。2019年博士毕业于北京理工大学，随后赴比利时列日大学物理系从事博士后研究。2021年12月加入北京理工大学。主要从事铁电和压电材料的多尺度模拟研究。至今已发表学术论文60余篇，其中以第一(含共同第一)/通讯作者发表高水平论文30篇，包括Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Mater. Horiz.、 Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.等。其中Google Scholar引用6500余次。担任Rare Metals和Progress in Natural Science Materials International等期刊青年编委。
【课题组介绍】
https://physicsfaculty.bnu.edu.cn/teacher/348/index.html
https://www.x-mol.com/groups/wenkai_zhang
【课题组招聘】
北京师范大学物理与天文学院张文凯教授课题组面向国内外诚聘博士后、研究助理、硕士和博士研究生。课题组具有良好的科研工作条件，欢迎具有光学、凝聚态物理、原子分子物理、材料物理和物理化学等相关领域研究背景的同学加入课题组。课题组主要致力发展高时空分辨光谱实验方法，并用于研究光与物质相互作用中的电子、振动及自旋的非平衡态动力学，探索光电功能材料中的光电转换机理，开展以新能源及量子信息应用为目标导向的基础研究。
