利用基于铋的中间层控制钙钛矿光电器件中的带弯曲现象

《ACS Omega》：Controlling Band-Bending for Perovskite Optoelectronic Devices Using Bismuth-Based Interlayers

铅基钙钛矿太阳能电池中铋基双钙钛矿界面层对能级排列和电荷传输的影响。通过XRD、SEM、UPS和XPS表征，证实铋基界面层将导带向下偏移0.5 eV，与C60电子传输层形成更优能级对齐，显著提升器件性能，其中PIN架构下IEF-4的PCE达14.20%，较对照组提高5倍。

　　本研究聚焦于在钙钛矿基光电器件中引入铋基钙钛矿材料作为中间层，以优化能级对齐，从而提升器件性能。这类器件包括发光二极管（LED）和光伏（PV）设备，其核心问题在于电子/空穴的传输效率和提取能力，以及电荷载流子的复合过程。通过在钙钛矿层与电荷传输层之间添加中间层，可以有效调整能级对齐，进而改善器件的电荷传输特性。研究发现，使用特定的铋基钙钛矿中间层可以显著降低钙钛矿的导带位置，从而增强器件的性能表现。这种改进效果得到了X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）的验证，表明了铋基钙钛矿中间层在调控能级对齐方面的潜力。

钙钛矿材料因其独特的光电性能而受到广泛关注，包括可调节的带隙、高吸收系数和优异的载流子迁移率。此外，其高效率（如太阳能电池的功率转换效率（PCE）和LED的外部量子效率（EQE））以及简便的制备工艺（低温处理）使其成为新一代光电器件的重要候选材料。然而，钙钛矿光伏器件在长期稳定性、电荷积累和大规模生产方面仍面临诸多挑战。相比之下，铋基钙钛矿材料因其无毒、丰富（铋是铜、锡和铅冶炼的副产品）以及对氧气、温度和湿度具有更好的稳定性，展现出一定的应用前景。但其较大的带隙（1.8至2.2电子伏特）和较高的激子结合能限制了其在高效光伏器件中的应用潜力。

为了解决这一问题，研究者们探索了多种中间层材料，如无机材料（如ZnO或TiO?）、有机分子和聚合物（如聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯亚胺、自组装单分子层）以及碳衍生物（如修饰的富勒烯或氧化石墨烯）等。这些材料在调整能级对齐、提高器件稳定性方面取得了显著成效。尽管如此，铋基钙钛矿材料作为中间层的应用仍处于初步阶段，尤其是在倒置结构（p-type/intrinsic/n-type，即PIN结构）中的研究相对较少。

在本研究中，首次将铋基钙钛矿材料（IEF-4和IEF-16）用作中间层，以调控三阳离子钙钛矿（TC）的导带位置。这两种材料分别由苯并咪唑??和三氮唑??组成，具有不同的能级特性。通过优化中间层的沉积条件，研究人员成功实现了对钙钛矿层与电荷传输层之间能级对齐的调控。在NIP结构中，研究发现引入中间层后，器件的电流-电压（J-V）曲线呈现出明显的S形，表明电荷提取效率降低，导致短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）下降。这主要是由于中间层的导带和价带位置与钙钛矿层存在较大差异，从而阻碍了电荷的高效传输。

相比之下，在PIN结构中，研究人员采用了更优化的三阳离子钙钛矿作为吸收层，并使用C60作为电子传输层（ETL）。实验结果显示，当使用IEF-4作为中间层时，器件的PCE显著提升，达到14.20%。这一提升主要归因于IEF-4与C60之间的能级对齐优化，以及对电荷复合过程的有效抑制。此外，通过时间分辨光致发光（TRPL）测量，研究团队进一步验证了中间层对电荷传输行为的影响。结果显示，IEF-4的引入有效延长了电荷的寿命，表明其在促进电荷提取和减少复合方面发挥了积极作用。

研究还发现，IEF-4和IEF-16在不同结构中的表现存在差异。IEF-4由于与C60之间的能级偏移较小（约0.1电子伏特），在提升器件性能方面表现更为优异。而IEF-16由于其导带位置较深，导致与PCBM之间的能级不匹配，从而降低了器件的整体性能。此外，研究团队指出，中间层的厚度对器件性能具有重要影响。当使用非常稀释的IEF溶液时，可以实现更薄的中间层，从而避免对钙钛矿层的破坏，同时仍能有效调控其导带位置。

在实际应用中，中间层的引入不仅有助于提升器件的光电性能，还可能改善其结构稳定性。例如，通过在钙钛矿层与电荷传输层之间形成一层均匀的中间层，可以有效减少界面缺陷，从而降低电荷复合的可能性。这种结构优化策略为未来的钙钛矿光电器件提供了一种新的思路，即通过调整中间层的材料和厚度，实现对能级对齐的精确控制，进而提升器件的效率和稳定性。

综上所述，本研究通过引入铋基钙钛矿材料作为中间层，成功实现了对钙钛矿层导带位置的调控。这一策略不仅在倒置结构中表现出良好的性能提升潜力，还在传统结构中验证了其对能级对齐的优化作用。未来的研究可以进一步探索不同中间层材料的组合及其对器件性能的影响，以期开发出更高效、更稳定的钙钛矿光电器件。同时，如何在大规模生产中实现中间层的均匀沉积和稳定性提升，也将是研究的重要方向之一。