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电子科技大学于军胜教授：cspbi3量子点钝化活性层对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的影响 | mdpi photonics |
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论文标题：passivation effect of cspbi3 quantum dots on the performance and stability of perovskite solar cells（cspbi3量子点钝化活性层对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的影响）
期刊：photonics
作者：genjie yang, dianli zhou, jiawen li and junsheng yu
发表时间：22 december 2021
doi：10.3390/photonics9010003
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原文作者简介
于军胜 教授
电子科技大学
电子科技大学光电科学与工程学院、电子薄膜与集成器件国家重点实验室，二级教授、博士生导师，是国家百千万人才工程入选者、国务院政府特殊津贴专家、显示科学与技术四川省重点实验室主任。长期从事新型显示、光伏电池、光电探测、传感技术方向的柔性电子技术领域研究，发表学术论文250余篇，授权发明专利120余项，技术转让5项。
引言
开发以太阳能电池为代表的清洁能源是缓解能源危机、促进“碳中和、碳达峰”的重要途径。近年来，钙钛矿太阳能电池 (perovskite solar cells, pscs) 的功率转化效率 (power conversion efficiency, pce) 屡创新高，被誉为最具发展前景的新型太阳能电池。然而，pscs的进一步发展受挫于钙钛矿活性层存在大量缺陷的普遍问题，其严重影响了pscs的性能与稳定性。来自电子科技大学的于军胜教授及其团队在 期刊创新地将cspbi3量子点材料掺入mapbi3钙钛矿活性层以钝化缺陷，提升了器件的光伏性能与稳定性。
研究过程与结果
本文的钙钛矿太阳能电池器件结构如图1所示。在钙钛矿活性层的成膜过程中，将cspbi3量子点材料掺入钙钛矿前驱体溶液内。一方面，可以利用部分cspbi3量子点作为成核中心，提升活性层薄膜致密性；另一方面，利用部分解离的cspbi3量子点填补活性层中的离子空位缺陷，起到缺陷钝化的作用。
图1. (a) 钙钛矿太阳能电池器件结构图；(b) 钙钛矿太阳能电池的sem截面形貌图。
作者利用扫描电子显微镜 (scanning electron microscopy, sem) 测试了钙钛矿活性层薄膜的表面形貌 (图2)。未掺杂、掺杂1%、掺杂2%、掺杂3% cspbi3量子点的钙钛矿薄膜的平均粒径分别为247.25 nm、281.22 nm、352.87 nm、274.90 nm。cspbi3量子点在钙钛矿结晶过程中促进晶粒生长，诱导形成大尺寸钙钛矿晶粒，同时钝化离子空位缺陷和晶界缺陷，改善薄膜质量。光滑致密的大晶粒钙钛矿薄膜可以与输运层形成更紧密的界面接触，减少激子界面复合。
图2. 钙钛矿薄膜的sem表面形貌图：(a) 未掺杂cspbi3 qds；(b) 掺杂1% cspbi3 qds；(c) 掺杂2% cspbi3 qds；(d) 掺杂3% cspbi3 qds。
为了进一步研究cspbi3量子点的钝化作用，作者对两种器件的缺陷态密度进行了理论计算。如图3所示，两种单载流子器件的vtel分别为0.46 v和0.24 v，计算出钙钛矿薄膜的缺陷态密度分别为2.73 × 1015 cm−3和 1.42 × 1015 cm−3。缺陷态密度的显著下降，表明引入cspbi3量子点有效地实现了缺陷钝化，进而提升器件性能与稳定性。
图3. 黑暗条件下单电子器件的j-v曲线：(a) 未掺杂cspbi3 qds；(b) 掺杂2% cspbi3 qds。
研究总结
本项研究工作将cspbi3量子点引入钙钛矿活性层，通过一系列的薄膜表征、理论计算以及器件测试，证明了cspbi3量子点的引入可以有效调控钙钛矿薄膜结晶，钝化缺陷，从而减少激子复合，提高光生载流子的提取效率，最终提升器件性能，并改善器件稳定性。本工作为制备高质量钙钛矿薄膜提供了一种新的途径，对于高效钙钛矿太阳能电池的设计和制备具有重要价值。
期刊介绍
主编：nelson tansu, the university of adelaide, australia
期刊出版光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章，涵盖量子光学、微纳光学、光电子学、光谱学、集成光学、生物医学光子学、光子功能材料、激光器与激光光学、光纤光学与光通信、光传感、经典光学等方向。
2020 impact factor：2.676
2020 citescore：3.5
time to first decision：14.7 days
time to publication：35 days
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