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有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有能量转换效率高、原料成本低廉和制备工艺简单等优势，被誉为下一代高性价比商业化应用的太阳能电池。钙钛矿薄膜在制备过程中不可避免会产生大量的晶界，而晶界中配位不饱和的卤离子和金属离子的存在会导致缺陷态形成，从而大大增加载流子的复合几率，严重制约电池的效率。那么，如何通过钝化钙钛矿晶界中的缺陷态进一步提高电池的效率呢？近日，北京大学化学与分子工程学院的黄春辉院士团队和中国科学院上海应用物理研究所的王建强研究员团队合作，证明p-型半导体可以作为高效的钙钛矿缺陷态钝化材料，并提出了相应的钝化机理。

首先，他们利用具有不同价带能级的p-型半导体碘化亚铜（CuI, -5.21 eV）和碘化亚铜-硫脲络合物[Cu(Tu)I，-5.45 eV]作为研究对象，并通过一步旋涂钙钛矿（CH₃NH₃PbI_3-xCl_x）和p-型半导体的混合前驱液来制备钙钛矿和p-型半导体的杂化薄膜。表征证明CuI和Cu(Tu)I在钙钛矿薄膜中可以保持原有的结构，在钙钛矿层内呈体相分布，但主要分布在钙钛矿的晶界中。进一步的缺陷态分析结果表明，CuI和Cu(Tu)I能够将钙钛矿的缺陷态深度从最初的0.35-0.45 eV分别降低至0.30-0.40 eV和0.25-0.35 eV，即达到钝化缺陷态的效果。可能的钝化机理为：CuI和Cu(Tu)I中的Cu⁺和I^-可以分别与钙钛矿晶界中配位不饱和的卤离子和铅离子相互作用以钝化该类缺陷位点，而Cu(Tu)I相比CuI更深的价带能级可以更大程度地降低钙钛矿的缺陷态深度，从而获得更好的钝化效果。

此外，CuI和CH₃NH₃PbI_3-xCl_x间价带能级的差异导致势阱产生，从而在一定程度上制约空穴的传输，Cu(Tu)I和CH₃NH₃PbI_3-xCl_x相一致的价带能级则有利于空穴的传输。因此，分布在钙钛矿晶界处的Cu(Tu)I可以更加有效地增大钙钛矿层的空穴迁移率，并减小载流子的复合几率。最终经过优化，当前驱液中Cu(Tu)I的添加浓度为10 mmol•L^-1时，即使采用不含独立空穴传输层的简化器件结构，相应电池也能获得高达19.9%的效率，且几乎不存在迟滞效应。

总之，该工作首次证明了p-型半导体可以作为高效的钙钛矿缺陷态钝化材料，并提出了可能的钝化机理，对于合成高质量钙钛矿薄膜的研究具有重要意义。尽管该工作中所采用的新型p-型半导体Cu(Tu)I具有优异的钙钛矿缺陷态钝化效果，但稳定性并不令人满意，探寻稳定性更好的p-型半导体作为缺陷态钝化剂会是下一步研究的重点。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，北京大学的博士研究生叶森云和饶海霞为文章的共同第一作者。北京大学的卞祖强副教授、刘志伟副教授和中国科学院的王建强研究员为文章的共同通讯作者。 

该论文作者为：Senyun Ye, Haixia Rao, Ziran Zhao, Linjuan Zhang, Hongliang Bao, Weihai Sun, Yunlong Li, Feidan Gu, Jianqiang Wang, Zhiwei Liu, Zuqiang Bian and Chunhui Huang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A Breakthrough Efficiency of 19.9% Obtained in Inverted Perovskite Solar Cells by Using an Efficient Trap State Passivator Cu(thiourea)I

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7504, DOI: 10.1021/jacs.7b01439

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