钙钛矿太阳电池在过去几年中凭借其优越的材料特性实现了光电转换效率的飞跃，其中有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的认证效率在2021年底达到了25.7 %，展现出巨大的商业化潜力。对于全无机钙钛矿CsPbIBr2，其优势在于良好的光学带隙和优异的热稳定性；然而基于CsPbIBr2的太阳电池具有较大的开路电压损失（Vloss）。如何减小开路电压损失，提升开路电压，进而整体提升电池性能依然是一个亟待解决的关键科学问题。研究表明，薄膜调控是一个有效的途径。因此，西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授课题组通过采用碘化甲脒处理以实现有效的表面重构来提高CsPbIBr2太阳电池的Voc，同时薄膜质量得以提升，界面问题得以改善，且能带水平更加匹配。最终实现了1.34 V 的高Voc和11.31 %的高光电转化效率，相关指标处于国际领先水平，而且器件在连续照明、连续加热和长期环境储存条件下均表现出优异的稳定性。同时，器件在光电探测器应用中也表现出高灵敏度和响应度。
图1.（a）钙钛矿太阳电池的制备过程（b-g）不同浓度FAI处理的钙钛矿薄膜
研究表明，通过采用碘化甲脒对钙钛矿薄膜进行处理，从而有效地钝化界面缺陷态，提高薄膜结晶质量，获得了无孔洞的薄膜。通过一系列薄膜层面的表征（图2）发现，薄膜的光吸收能力得到提升，且吸收截止边出现明显红移，这意味着经过晶格重构后的薄膜拥有更小的禁带宽度，这将有利于提升器件的短路电流。同时，能带匹配得到了优化，使钙钛矿/空穴传输层界面的传输更加有效。FA+有机阳离子与表面 Pb空位之间相互作用以及CsPbIBr2内部化学键的增强，有利于提升相稳定性。此外，相分离现象和非辐射性复合都得到了有效抑制，有利于提升器件的开路电压。
晶格重构后的器件在开路电压、短路电流和填充因子都有明显改善，获得了 1.34 V的高Voc和11.31 %的高光电转化效率，相关指标处于同期最高值。在工作状态下表现出良好的稳态输出。内建电场、复合电阻和瞬态光电压寿命的增大，缺陷态密度和瞬态光电流寿命的减少都说明非辐射性复合得到有效抑制，载流子提取能力得到提升，传输能力得到增强（图3）。
图2. 薄膜层次的相关表征（包括光吸收、UPS、能带图、XPS、PL与TRPL）
图3. 器件层次的相关表征（包括J - V、IPCE、稳态输出、C - V、EIS、TAS、TPC与TPV）
采用第一性原理计算来辅助理解和揭示FAI表面重构的机理。表面缺陷会使钙钛矿的Pb-Br/I八面体无序，导致钙钛矿的带隙中存在明显的缺陷态，可以作为非辐射复合中心；同时，扭曲的结构会降低 I-/Br- 的迁移势垒，从而影响钙钛矿的稳定性。引入额外的FAI处理后，I-和FA+可以分别占据 I和Cs的空位缺陷，从而缓解钙钛矿的结构无序和缺陷状态，从而在实验中观察到钙钛矿薄膜的PL增强和器件性能的提高；扩大了晶格常数并降低钙钛矿的带隙。由于存在明显的电荷转移和再分布，缺电子的-CH-基团与 I/Br-悬空键相互作用，而富电子-NH2基团与Pb-悬空键相互作用。限制了I/Br-迁移，因此在表面重构后的钙钛矿中观察到更大的迁移势垒。这意味着钙钛矿的稳定性得到提升。
器件在光电探测应用下表现出高探测度和高响应度，并在超过120个工作循环下都保持了优异的稳定性。此外，对电池器件在持续太阳光照（图5g）、持续加热（图5h）和长期存储（图5i）条件下的器件稳定性进行了评估，表面重构后的器件稳定性提升明显。
图4. 第一性原理计算（结构、态密度、电荷转移与迁移能）
图5. 光电探测性能和电池器件稳定性
该研究成果以“Surface reconstruction strategy improves the all-inorganic CsPbIBr2 based perovskite solar cells and photodetectors performance”为题，以Research Article形式，发表于国际顶级期刊《Nano Energy》（中科院分区1区，影响因子17.88）上。该成果常晶晶教授为论文通讯作者，贺健博士为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省重点研发计划等科研项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.106960