於黃忠教授， Nano energy觀點：THF/MBM共修飾策略調控鈣鈦礦的表面缺陷和能階
【文章資訊】
THF/MBM共修飾策略調控鈣鈦礦的表面缺陷和能階
第一作者：孫亞鵬
通訊作者：於黃忠*，石勝偉*
單位：華南理工大學，武漢工程大學，東莞理工學院
【研究背景】
鈣鈦礦太陽能電池具有效率高，溶液制備，弱光效能好等優勢，因此被認為是極具發展潛力的新興太陽能電池。然而，鈣鈦礦表面的深能階缺陷會作為非輻射復合中心，導致器件效率損失。而表面終端和缺陷的多樣性，使得簡單的表面改性取得的效果有限。因此本文中提出了四氫呋喃（THF）和4-甲基芐基硫醇（MBM）共修飾的策略。首先，使用THF去除鈣鈦礦表面的有機組分，暴露出更多的Pb終端及Pb相關缺陷。然後，使用MBM與這些終端形成強的R-S-Pb鍵合，從而實作了更徹底的表面修飾。二者發揮協同效應實作了更高的光電轉換效率和器件壽命。這種重建鈣鈦礦表面的缺陷和能階的策略，為制備高效能鈣鈦礦器件提供了一種通用思路。
【文章簡介】
近日，來自 華南理工大學的於黃忠教授與武漢工程大學的石勝偉教授 合作，在國際知名期刊 Nano Energy 上發表題為 「Regulate Defects and Energy Levels for Perovskite Solar Cells by Co-modification Strategy」 研究工作。該工作提出了四氫呋喃（THF）和4-甲基芐基硫醇（MBM）共修飾的策略。首先，使用THF去除鈣鈦礦表面的有機組分，暴露出更多的Pb終端及Pb相關缺陷。然後，使用MBM與這些終端形成強的R-S-Pb鍵合，從而實作了更徹底的表面修飾。二者發揮協同效應實作了更高的光電轉換效率和器件壽命。
【本文要點】
要點一：THF/MBM共修飾策略實作Pb操控
首先使用THF處理鈣鈦礦表面。XPS擬合發現，處理後的表面Pb/I含量比升高。這說明THF去除了部份有機組分，使得鈣鈦礦表面暴露出更多Pb終端及Pb相關缺陷。然後，我們使用MBM修飾這些暴露的Pb缺陷，並形成強的R-S-Pb鍵合，這減少了欠配位Pb缺陷。THF/MBM共處理的過程實作了Pb相關缺陷的增加和減少。在實作鈣鈦礦表面Pb操控的同時，透過將鈣鈦礦表面缺陷統一化及後修飾的策略，實作了更佳的修飾效果。
要點二：透過Pb相關給體缺陷的修飾調節鈣鈦礦的能階
雖然鈣鈦礦中淺能階缺陷導致的是輻射復合，不會對器件效能產生較大的影響。但是，淺能階缺陷的含量依然會影響鈣鈦礦中載流子的濃度。THF/MBM共修飾實作了Pb相關缺陷的操控，同時這個過程還會導致鈣鈦礦表面Pb相關能階的改變。THF處理後Pb相關缺陷增加，鈣鈦礦表面費米能階上移；MBM修飾後Pb相關缺陷減少，鈣鈦礦表面費米能階下移。在鈣鈦礦上表面，下移的費米能階有利於在鈣鈦礦內部構建體異質結。合適的體異質結有助於獲取更好的載流子輸運效果。其中，THF/MBM修飾獲得了最佳得表面能階，以及更好得載流子輸運效果。
要點三：不同的修飾策略對器件效能的影響
透過J-V測試發現，相比於簡單的MBM修飾，這種共修飾的策略能取得更好的修飾效果以及更高的光電轉換效率。在這篇工作中，基於THF/MBM共修飾的器件實作了最佳的光電轉換效率，其中冠軍效率為24.17%。
要點四：全覆蓋-強鍵合的修飾策略對器件穩定性的影響
合適的表面修飾能阻擋水氧對鈣鈦礦層的侵蝕。但多數修飾分子的保護能力較差，因為鈣鈦礦不統一的表面導致較差的分子堆疊。相比與簡單的表面修飾，這裏提供的共修飾策略能更好的實作修飾分子的全覆蓋，以及更好的鈣鈦礦保護。另一方面，MBM修飾形成的是較強的Pb-S鍵，相比於常用的路易斯加合修飾，其與鈣鈦礦的相互作用更強，有希望實作更好的鈣鈦礦保護。此外，考慮到鈣鈦礦本身的降解規律是：從深能階缺陷處加速降解。THF/MBM共修飾更大程度上減少了降解的初始位點，減緩了鈣鈦礦的分解行程。基於此，THF/MBM共修飾這種全覆蓋-強鍵合的修飾策略取得了更好的鈣鈦礦保護效果及器件穩定性。
【文章連結】
Regulate Defects and Energy Levels for Perovskite Solar Cells by Co-modification Strategy
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523010820
【通訊作者簡介】
於黃忠 教授簡介：現任華南理工大學教授，博士生導師。他於2002年在華南師範大學獲得微電子理學碩士學位，並於2008年在華南理工大學獲得材料物理與化學博士學位。他已發表了120多篇研究論文，申請及授權了35項發明專利，目前的研究方向是光電材料和光伏器件領域。
石盛偉 教授簡介：現任武漢工程大學材料科學與工程學院的教授。2006年獲中國科學院博士學位。後來，他在華南理工大學做博士後。之後，他前往歐洲繼續他的研究，並於2015年成為林雪坪大學的助理教授。他於2016年加入WIT，他的研究方向包括有機半導體的混合界面和器件套用。
【第一作者介紹】
孫亞鵬 ： 華南理工大學博士研究生，主要研究方向為鈣鈦礦太陽能電池的結晶最佳化及界面調控。
