研究背景
卤化物钙钛矿的光电性能主要受其纳米级别的结构、成分和光物理特性的影响。复合工程、接触工程和表面钝化是提升卤化物钙钛矿太阳能电池性能的公认策略。然而，不同长度尺度上的体相和界面调制对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的具体影响，仍知之甚少。这主要是因为过去的大多数显微镜工作都集中在绝缘基板上的钙钛矿薄膜上，忽视了电荷提取损失和传输层引入的复合损失。
为了全面了解卤化物钙钛矿在内的下一代光电技术的器件性能和退化，开发能够在操作条件下测量完整器件的显微镜技术至关重要。电流-电压（JV）曲线是评估太阳能电池中复合和传输损耗的重要宏观指标。除了非辐射功率损失通道外，在JV曲线上的不同点测量运行中的整个设备堆栈，对于揭示电荷传输和提取的信息至关重要。已有技术能够在微观层面探测JV曲线上的特定点，如短路电流（JSC），开路电压（VOC），或者通过拟合预定的二极管模型来探测整个JV曲线。
研究成果
近日，英国剑桥大学Samuel D. Stranks和Miguel Anaya报道了一种多模式操作显微镜工具包，用于测量和空间关联纳米级电荷输运损失、复合损失和化学成分。通过应用此工具包在长时间运行前后对最先进的合金钙钛矿电池的相同区域进行扫描，发现宏观性能最佳的设备具有最低的初始性能空间异质性，这是传统显微镜分析中缺失的关键环节。表明了设计稳定的接口对于实现稳健的设备至关重要。一旦界面稳定，均匀电荷提取和最小化局部功率转换效率变化的合成工程学对于提高性能和稳定性至关重要。此外，在我们的器件空间中，钙钛矿可以容忍化学中的空间无序，但不能容忍电荷提取。
相关研究工作以“The impact of interfacial quality and nanoscale performance disorder on the stability of alloyed perovskite solar cells”为题发表在国际顶级期刊《Nature Energy》上。
研究内容
这项研究通过使用电压相关性光致发光（PL）显微镜，快速提取工作太阳能电池的局部微观JV曲线（无预设的二极管模型）。将这种电压相关PL与绝对校准的高光谱PL和同步辐射X射线纳米探针荧光（nXRF）相结合，绘制了卤化物钙钛矿吸收层位于同一扫描区域的光电性能和化学成分图。将这种强大的多峰显微镜技术应用于一系列最先进的合金卤化物钙钛矿吸收层，根据行业标准协议，在加速操作应力前后，将钙钛矿吸收层制成与串联太阳能电池相关的器件堆叠，以揭示成分、复合和电荷输运的微观分布对器件性能和稳定性方面的关键作用。
研究者定义了一个局部性能指标——功率转换效率（PCE）紊乱，该指标综合了电荷传输和复合损失的局部变化。研究发现，PCE紊乱程度较低的器件不仅具有更高的初始性能，而且在操作压力下也更稳定。相反，更无序的器件稳定性较差，在应力下表现出更严重的相分离。研究者还证明了，虽然通过表面钝化或工程可以减少PCE紊乱（并提高初始性能），但这种处理可能是一把双刃剑，由于界面稳定性差，即使钝化，也会导致糟糕的器件退化。研究揭示了最先进的钙钛矿太阳能电池中局部化学、传输和复合之间的复杂相互作用。
图1. 设备操作显微镜显示DCDH太阳能电池的性能甚至可以容忍剧烈的空间光电和化学异质性
图2. DCDH钙钛矿太阳能电池在长时间运行后的微观JV曲线中表现出明显的局部性能下降
图3. DCTH钙钛矿太阳能电池的多模态显微镜显示，与DCDH类似物相比，器件稳定性降低，微观相分离增加
图4. 界面化学和空间PCE无序预测混合阳离子、混合卤化物钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性
结论与展望
总的来说，这项研究揭示了钙钛矿太阳能电池中成分和界面化学的微小变化对器件降解机制的重大影响，并确定了降解的位置和原因。研究发现，界面处缺陷密度的变化可能会使原本缓慢的动力学过程突然有利，或者接触层疏水性的变化可能足以改变活性层的结晶动力学，引发大规模的异质性，进而导致器件的早期退化。这些发现强调了在提升设备性能的同时，确保其稳定性和可重复性的重要性。还敦促对退化机制的普遍性持谨慎态度，因为即使是微小的变化也可能影响设备的稳定性。结果表明，钙钛矿太阳能电池的纳米级器件性能非常复杂。能够测量局部光电和电荷提取特性的微观平台，对于理解无序半导体器件中的退化路径至关重要，因为它们产生了强大的见解，并揭示了这些器件成功所需解决的关键机制。
这项研究以金属卤化物钙钛矿作为案例，展示了多峰微观工具箱技术不仅适用于钙钛矿，还可以推广到更广泛的基于无序材料的光收集和发射器件，且在有机光伏、铜铟镓硒光伏、InGaN发光二极管等领域获得令人兴奋的见解。此外，该工具包的操作光学组件的缩放版本，有望成为大规模光伏制造的质量控制筛选工具。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-024-01660-1
