金属卤化物钙钛矿光电材料和器件

赵一新，韩宏伟

1上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240

2华中科技大学武汉光电国家研究中心，武汉 430074

2009年ABX3钙钛矿晶型的甲胺铅卤CH3NH3PbX3(X = I、Br、Cl)钙钛矿材料首次应用于太阳能电池，但初始报道效率低、稳定性差。2012年后，可溶液法制备的钙钛矿太阳能电池凭借其吸光系数高、激子结合能低等优点，迅速表现出低成本和高效率的突出优势，并在光电器件等交叉领域具有很强的应用潜力。因此，钙钛矿太阳能电池被Science杂志评为2013年度国际十大科技进展，是化学和材料领域特别是光伏领域新兴的变革性技术之一。钙钛矿太阳能电池材料与器件的发展一直面临大面积、高效率、稳定性和环境友好性等挑战，对应的是钙钛矿晶体可控生长、缺陷钝化、器件优化材料稳定性和铅毒性等科学问题。

各种结构钙钛矿太阳能电池器件被广泛研究，取得了系列进展。钙钛矿结晶过程调控首先主要需要解决钙钛矿成膜的均一性。为了进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，在结晶过程中对不同类型的钙钛矿的晶相和组分实现有效调控也成为了领域的研究重点。钙钛矿材料在光、热、电等多外场耦合条件下的稳定性是钙钛矿太阳能电池研究的关键疑难，稳定性又包括化学组分稳定性和材料晶相稳定性。对钙钛矿材料的化学稳定性和晶相稳定性是钙钛矿材料稳定性研究的焦点，包括材料设计改进以及各种物理和化学的稳定化方法。

尽管钙钛矿材料是钙钛矿器件的效率和稳定性的关键，但是电子传输材料以及空穴传输材料对于钙钛矿器件的性能有显著影响。这些材料包括无机和有机材料两大类各有特点，无机材料具有成本低稳定性好的优势，有机材料具有性能可调性强的优势。此外钙钛矿器件物理的研究对于进一步提高钙钛矿器件的性能和稳定性有着日益重要的作用，更加深入的机理研究是钙钛矿器件性能提升的必由之路。

随着钙钛矿器件性能的飞速发展，钙钛矿半导体的特性也被日益关注和研究。钙钛矿材料表现出和传统半导体材料相比多种独特的性质，理论计算研究也从分子原子的电子结构上给予了更深刻的解释并对新型钙钛矿材料的开发给出了理论指导。未解决铅毒性的问题，多种非铅钙钛矿特别是锡基钙钛矿被广泛研究，并且近几年在性能和稳定性上也有较大进展。

本专刊专辑邀请了国内部分从事钙钛矿研究的学者团队，介绍他们近年来的研究进展和总结。主要分为四类：钙钛矿材料的结晶，钙钛矿材料和器件的稳定性，钙钛矿器件构型和关键电荷传输层材料的研究，以及新型钙钛矿材料开发等。

1 钙钛矿的结晶机制与生长调控

孟庆波团队1设计了一种两步互扩散溶液法，通过控制前驱体PbCl2的形貌，成功地制备了CsPbCl3薄膜。研究表明CsPbCl3薄膜具有载流子寿命长、缺陷态少等优异性能。并以此为基础构建了响应度为0.75 (A·W−1)的横向结构紫外光电探测器。

逄淑平研究组2研究了不同挥发性的胺类，如碘甲胺(MAI)、碘化二甲胺(DMAI)等作为添加剂时对于制备富铯钙钛矿材料质量的影响，结果表明MAI和DMAI与PbI2间较强的作用力可以促进Cs4PbI6的形成并有效抑制δ-CsPbI3副产物的生成，可以作为合成富铯钙钛矿材料的有效添加剂，实现了在相对温和的条件下制备纯相富铯钙钛矿材料。

钟海政研究组3系统综述了钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿单晶、多晶薄膜、量子点三类体系制备过程的影响，讨论了溶剂配位效应所形成的溶剂化物对材料生长过程，以及所制备的材料(形貌、晶相、缺陷、稳定性)的影响机制。

2 钙钛矿材料的稳定性

赵一新团队4提出了在钙钛矿层表面原子沉积(ALD)无机保护层能提升钙钛矿薄膜的稳定性的策略。通过将5-AVA引入MAPbBr3晶格中，获得了铰链结构的AVA(MAPbBr3)2钙钛矿，从而有效克服了ALD过程中水对钙钛矿薄膜侵蚀的问题，提高了薄膜的热稳定性和抗水性。

田建军研究组5采用SCN−离子掺杂CsPbI3量子点，显著提高了提高量子点的光学性能和稳定性(SCN-CsPbI3)。研究表明，SCN−离子掺杂提高了Pb-X键能、量子点结晶质量以及钙钛矿其荧光量子产率(PLQY)从68%提升到了90%，此外，SCNCsPbI3量子点展现出很好的抗水性能。基于掺杂后的量子点构建的光电探测器表现出了宽波域响应(400–700 nm)，高的响应率(90 mA·W−1)和超过1011 Jones的探测度等优异性能。

尹媛等6围绕钙钛矿材料中缺陷容忍及缺陷钝化的关键问题，综述了钙钛矿材料中声子模式和极化子效应等缺陷容忍方面的研究进展，并总结了利用阳离子、阴离子、路易斯酸(碱)等来钝化钙钛矿缺陷的策略。

周欢萍研究组7综述了近年来在钙钛矿叠层太阳能电池稳定性方面的研究进展，对宽带隙钙钛矿的相不稳定性、窄带隙钙钛矿的空气不稳定性以及中间层的不稳定性进行了全面地分析，总结了提升钙钛矿叠层太阳能电池稳定性的合理策略。

3 钙钛矿光电器件的结构优化

在电荷传输层方面，魏展画研究组8针对溶液法难以制备高质量SnO2的难题，利用电泳沉积在导电玻璃上制备了致密的SnO2薄膜，从而显著提升了钙钛矿太阳能电池的性能及稳定性。

李耀文研究组9设计并合成了基于吡嗪的X型空穴传输材料PT-TPA。吡嗪的引入改善了材料的电荷转移特性和分子中心共平面性，显著提升了空穴迁移率。基于PT-TPA的太阳能电池的能量转化效率比之前报的Si-OMeTPA提升了近15%。

曾海波团队10系统介绍了激光照射下钙钛矿的变化以及微观机理，对将激光技术用于钙钛矿薄膜和器件性能调控，以及激光直写钙钛矿等技术的相关应用做了细致总结。

叶轩立研究组11综述了现阶段蓝光钙钛矿LED的研究现状以及发展历程，详细阐述了现阶段蓝光LED性能调控的主要手段以及相关的基础原理，总结了目前存在的问题并提出了相应的解决思路。

4 钙钛矿材料的组分与半导体性质调控

钙钛矿材料可以通过掺杂的方式实现p型或n型导电性的定向调控，从而可以设计新型的钙钛矿同质结太阳能电池。李美成研究小组12介绍了钙钛矿材料的p/n特性以及钙钛矿同质节太阳能电池的器件结构及原理，综述了钙钛矿同质结太阳能电池的研究进展，对该领域存在的技术问题进行了总结和展望。

张立军研究组13通过第一性原理计算研究了CsPbX3无机钙钛矿α-，β-和γ-晶相的结构、热力学稳定性和电子性质，结果表明从α相到β相以及γ相的相变伴随着PbX6八面体的畸变；所有CsPbX3钙钛矿都表现出直接带隙性质，并且带隙值从α相到β相再到γ相逐渐增加。在所有相中，α相结构中因为其较强的Pb-X相互作用，导致了较强的带边色散，使其具有较小的载流子有效质量。

使用锡来替换钙钛矿B位置的铅可以显著改变钙钛矿的半导体特性。宁志军研究组14从晶体结构、能带结构以及光电性质等方面介绍了锡基钙钛矿，综述了锡基钙钛矿领域的代表性工作并总结了提升器件光电性能的策略，讨论了锡基钙钛矿面临的挑战及未来的研究方向。

吴朝新研究组15总结了锡基钙钛矿的光电特性，并从薄膜的制备工艺及器件结构的角度系统地介绍了锡基钙钛矿太阳能电池的研究进展。

希望《物理化学学报》的读者能喜欢本专刊中的文章，阅读愉快，并从中有所启发。