编者注：在不到一个月的时间里，Science和Nature期刊相继深入研究陷阱态对钙钛矿器件的影响，不得不说这是一个很大进步！就编者个人观点来看，金属卤化物钙钛矿材料的“神秘面纱”在正在慢慢地被揭开。在钙钛矿光伏器件的效率突破25%之后，如何深入研究该类材料的内在特性以及建立器件的相关联性是大家所关注的。那么测试技术和仪器的研发就显得尤为重要。简言之，好idea+新技术+新仪器缺一不可！
（来源：微信公众号“纳米人”ID：nanoer2015）
缺陷限制钙钛矿器件性能
在钙钛矿薄膜加工过程中，通常不可避免地会产生缺陷。其中，点缺陷通常仅在钙钛矿带隙中的浅电子状态，一般具有较低的形成能，对器件性能影响较小，但在带隙内的深电荷陷阱会俘获电荷载流子，并使其非辐射复合，进一步引起光致发光的局部变化并限制器件的效率和稳定性。
尽管这些陷阱态与混合卤化物钙钛矿中的光诱导卤化物偏析和局部应变有关，然而，这些陷阱态的起源和分布仍是不清楚的。那么，下面分享的两个最新研究希望可以对你有启发。
Nature: 晶界处的纳米级陷阱簇，限制钙钛矿器件的性能
第一作者：Tiarnan A. S. Doherty, Andrew J. Winchester
通讯作者：Samuel D. Stranks，Keshav M. Dani
通讯单位：英国剑桥大学，日本冲绳科技大学院大学
鉴于此，剑桥大学Samuel D. Stranks和冲绳科技大学院大学Keshav M. Dani等人使用光发射电子显微镜对最新的卤化物钙钛矿薄膜中的陷阱分布进行成像，并进行深入研究。
图1.光发射电子显微镜揭示空间陷阱位置的分布会导致非辐射功率损耗
研究人员观察到了离散的纳米级陷阱簇，而不是在光致发光效率差的区域内相对均匀的分布。通过将显微镜测量结果与扫描电子分析技术相关联，研究发现这些陷阱簇出现在晶体学和组成上不同的实体(可能包含晶粒)之间的界面上。与非辐射复合相关的陷阱位点出现在纳米级簇中，这会影响电荷载流子的寿命和太阳能电池的开路电压，并最终限制了器件的性能。
图2.探测纳米陷阱簇的晶粒成分
图3.高分辨衍射和组成特性纳米级陷阱富集异质结
最后，通过产生时间分辨的光激发载流子俘获过程的光发射序列，揭示了一个空穴俘获特性，其动力学受空穴向局部俘获簇扩散的限制。该方法表明，在纳米尺度上管理结构和组成对于卤化物钙钛矿器件的最佳性能至关重要。
图4.纳米级光激发载流子俘获动力学
总之，该方法的应用范围远远超出对卤化物钙钛矿（定位和识别深陷阱态的结构和成分起源）的研究能力，这将适用于多种对射线敏感的半导体材料系列，包括块体无机材料和二维材料。
黄劲松Science：解析钙钛矿太阳能电池中陷阱态的空间和能量分布
第一作者：Zhenyi Ni
通讯作者：黄劲松
通讯单位：北卡罗来纳大学
北卡罗来纳大学黄劲松等人报道了金属卤化物钙钛矿单晶和多晶太阳能电池中陷阱的空间和能量分布的概况。
研究表明，在单晶中，缺陷密度变化范围之大，相差五个数量级，最低值为2×1011cm-3，并且大多数深陷阱位于在晶体表面。多晶膜界面所有深度的电荷陷阱密度分别比薄膜内部大1-2个数量级，并且薄膜内部的陷阱密度仍比优质单晶大2到3个数量级。
图1. DLCP技术
令人惊讶的是，表面钝化之后，在钙钛矿和空穴传输层的界面附近发现了最深的陷阱，这里存在大量的纳米晶体，很大程度上限制太阳能电池的效率。
图2. MAPbI3单晶薄膜中的陷阱空间分布
图3. 厚度决定MAPbI3单晶薄膜中的陷阱分布
研究人员模拟了带隙为1.50和1.47 eV的钙钛矿薄膜太阳能电池，这与FA0.92MA0.08PbI3和FAPbI3的稳定组成相对应。假设这些材料具有与常规多晶MAPbI3薄膜相同的陷阱密度，则器件的PCE为22.5和22.8％。当薄膜中的陷阱密度降低到与单晶中的陷阱密度相同时，效率可能会更高，分别增加到27.7％和28.4％。
图4. 钙钛矿薄膜中的陷阱的空间和能量分布
总之，这项研究为深入理解钙钛矿电池效率的机制提供了新的见解，将进一步促进更高效和更高稳定性的钙钛矿太阳能电池的发展。
原标题：Science/Nature齐发：是什么限制了钙钛矿器件的性能？
