Recent Progress in Defect Tolerance and Defect Passivation in Halide Perovskite Solar Cells

Yuan Yin Zhendong Guo Gaoyuan Chen Huifeng Zhang Wan-Jian Yin

Citation:  Yin Yuan, Guo Zhendong, Chen Gaoyuan, Zhang Huifeng, Yin Wan-Jian. Recent Progress in Defect Tolerance and Defect Passivation in Halide Perovskite Solar Cells[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(4): 200804. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008048 shu

卤化钙钛矿太阳能电池的缺陷容忍及缺陷钝化研究进展

    作者简介: Yuan Yin received her BS (2011) and PhD degrees in department of applied physics from Baoji University of Arts and Sciences and Xi'an Jiaotong University. She now works at College of Physics and Optoelectronic Technology in Baoji University of Arts and Sciences. Her research focuses on computational study of solar energy materials and defect physics in semiconductors;



    Wan-Jian Yin is a professor in Soochow Institute for Energy and Materials InnovationS (SIEMIS) in Soochow University, China. He received his BS (2004) and PhD (2009) from Fudan University, China. He worked at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) and University of Toledo, USA from 2009 to 2015. His research interests include computational study of solar energy materials, defect physics in semiconductors and machine-learning on material design;
    通讯作者: 尹媛, yinyuan8008@126.com
    尹万健, wjyin@suda.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(11674237, 11974257, 51602211)及陕西省青年人才托举计划(20180507)资助项目

    国家自然科学基金 51602211

    国家自然科学基金 11674237

    陕西省青年人才托举计划 20180507

    国家自然科学基金 11974257

摘要: 缺陷在钙钛矿太阳能电池的快速发展中起着至关重要的作用。缺陷容忍性,即金属卤化钙钛矿的主导缺陷是浅能级缺陷,它们不会成为强非辐射复合中心,这被认为是金属卤化钙钛矿的独特特性,是其具有高光电转换效率的主要原因。然而,要进一步提高金属卤化钙钛矿的光电转换效率,就需要消除一些可作为非辐射复合中心并严重影响器件性能的少量深能级缺陷,包括点缺陷、晶界、表面和界面等。本文综述了缺陷容忍的研究进展,包括软声子模式和极化子效应。此外,还总结了缺陷钝化的策略,包括通过阳离子或阴离子来钝化离子键,以及通过路易斯酸或路易斯碱来钝化配位键等。

English

    1. [1]

      Weber, D. Z. Naturforsch. B 1978, 33b, 1443. doi: 10.1515/znb-1978-0809

    2. [2]

      Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050. doi: 10.1021/ja809598r

    3. [3]

      www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/. (accessed 2019

    4. [4]

      Li, X.; Bi, D.; Yi, C.; Decoppet, J. D.; Luo, J.; Zakeeruddin, S. M.; Hagfeldt, A.; Grätzel, M. Science 2016, 353, 58. doi: 10.1126/science.aaf8060

    5. [5]

      Dong, Q.; Fang, Y.; Shao, Y.; Mulligan, P.; Qiu, J.; Cao, L.; Huang, J. Science 2015, 347, 967. doi: 10.1126/science.aaa5760

    6. [6]

      Kulkarni, A.; Jena, A. K.; Chen, H. W.; Sanehira, Y.; Ikegami, M.; Miyasaka, T. Solar Energy 2019, 136, 379. doi: 10.1016/j.solener.2016.07.019

    7. [7]

      Lim, J.; Hörantner, M. T.; Sakai, N.; Ball, J. M.; Mahesh, S.; Noel, N. K.; Lin, Y. H.; McMeekin, D. P.; Johnston, M. B.; Wenger, B.; Snaith, H. J. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 169. doi: 10.1039/c8ee03395a

    8. [8]

      Herz, L. M. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1539. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00276

    9. [9]

      Wang, T.; Daiber, B.; Frost, J. M.; Mann, S. A.; Garnett, E. C.; Walsh, A.; Ehrler, B. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 509. doi: 10.1039/C6EE03474H

    10. [10]

      Bi, D.; Tress, W.; Dar, M. I.; Gao, P.; Hagfeldt, A. Sci. Adv. 2016, 2, e1501170. doi: 10.1126/sciadv.1501170

    11. [11]

      Yin, W. J.; Shi, T.; Yan, Y. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 063903. doi: 10.1063/1.4864778

    12. [12]

      Li, Z.; Klein, T. R.; Kim, D. H.; Yang, M.; Berry, J. J.; van Hest, M. F. A. M.; Zhu, K. Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 18017. doi: 10.1038/natrevmats.2018.17

    13. [13]

      Rong, Y.; Hu, Y.; Mei, A.; Tan, H.; Saidaminov, M. I.; Seok, S. I.; McGehee, M. D.; Sargent, E. H.; Han, H. Science 2018, 361, eaat8235. doi: 10.1126/science.aat8235

    14. [14]

      Li, Z.; Zhao, Y.; Xi, W.; Sun, Y.; Zhao, Z.; Li, Y.; Zhou, H.; Qi, C. Joule 2018, 2, 1559. doi: 10.1016/j.joule.2018.05.001

    15. [15]

      Seok, S. I.; Grätzel, M.; Park, N. G. Small 2018, 14, 1704177. doi: 10.1002/smll.201704177

    16. [16]

      Pazos Outón, L. M.; Xiao, T. P.; Yablonovitch, E. J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 1703. doi: 10.1021/acs.jpclett.7b03054

    17. [17]

      Albrecht, S.; Michael, S.; Correa, B. J. P.; Felix, L.; Lukas, K.; Mathias, M.; Ludmilla, S.; Antonio, A.; Jorg, R.; Lars, K.; et al. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 81. doi: 10.1039/c5ee02965a

    18. [18]

      Jérémie, W.; Arnaud, W.; Esteban, R.; Soo-Jin, M.; Davide, S.; Michael, R.; Robby, P.; Rolf, B.; Xavier, N.; De, W. S.; et al. Appl. Phys. Lett. 2016, 109, 233902. doi: 10.1063/1.4971361

    19. [19]

      Sahli, F.; Werner, J.; Kamino, B. A.; Braeuninger, M.; Monnard, R.; Paviet-Salomon, B.; Barraud, L.; Ding, L.; Leon, J. J. D.; Sacchetto, D. Nat. Mater. 2018, 17, 820. doi: 10.1038/s41563-018-0115-4

    20. [20]

      Tress, W.; Marinova, N.; Inganas, O.; Nazeeruddin, M. K.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1400812. doi: 10.1002/aenm.201400812

    21. [21]

      Agiorgousis, M. L.; Sun, Y. Y.; Zeng, H.; Zhang, S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14570. doi: 10.1021/ja5079305

    22. [22]

      Kim, J.; Lee, S. H.; Lee, J. H.; Hong, K. H. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1312. doi: 10.1021/jz500370k

    23. [23]

      Agiorgousis, M. L.; Sun, Y.; Zeng, H.; Zhang, S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14570. doi: 10.1021/ja5079305

    24. [24]

      Walsh, A.; Scanlon, D. O.; Chen, S.; Gong, X. G.; Wei, S. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1791. doi: 10.1002/anie.201409740

    25. [25]

      Eames, C.; Frost, J. M.; Barnes, P. R. F.; Regan, B. C. O.; Walsh, A.; Islam, M. S. Nat. Commun. 2015, 6, 7497. doi: 10.1038/ncomms8497

    26. [26]

      Buin, A.; Pietsch, P.; Xu, J.; Voznyy, O.; Ip, A. H.; Comin, R.; Sargent, E. H. Nano Lett. 2014, 14, 6281. doi: 10.1021/nl502612m

    27. [27]

      Xu, J.; Buin, A.; Ip, A. H.; Li, W.; Voznyy, O.; Comin, R.; Yuan, M.; Jeon, S.; Ning, Z.; McDowell, J. J.; et al. Nat. Commun. 2015, 6, 7081. doi: 10.1038/ncomms8081

    28. [28]

      Buin, A.; Comin, R.; Xu, J.; Ip, A. H.; Sargent, E. H. Chem. Mater. 2015, 27, 4405. doi: 10.1038/ncomms8081

    29. [29]

      Steirer, K. X.; Schulz, P.; Teeter, G.; Stevanovic, V.; Yang, M.; Zhu, K.; Berry, J. J. ACS Energy Lett. 2016, 1, 360. doi: 10.1021/acsenergylett.6b00196

    30. [30]

      Domanski, K.; Correa-Baena, J. P.; Mine, N.; Nazeeruddin, M. K.; Abate, A.; Saliba, M.; Tress, W.; Hagfeldt, A.; Grätzel, M. ACS Nano 2016, 10, 6306. doi: 10.1021/acsnano.6b02613

    31. [31]

      Wu, X.; Trinh, M. T.; Niesner, D.; Zhu, H.; Norman, Z.; Owen, J. S.; Yaffe, O.; Kudisch, B. J.; Zhu, X. Y. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2089. doi: 10.1021/ja512833n

    32. [32]

      Long, R.; Liu, J.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3884. doi: 10.1021/jacs.6b00645

    33. [33]

      Tress, W.; Marinova, N.; Moehl, T.; Zakeeruddin, S. M.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 995. doi: 10.1039/c4ee03664f

    34. [34]

      Chen, B.; Yang, M.; Priya, S.; Zhu, K. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 905. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b00215

    35. [35]

      Azpiroz, J. M.; Mosconi, E.; Bisquert, J.; Angelis, F. D. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2118. doi: 10.1039/c5ee01265a

    36. [36]

      Yuan, Y.; Huang, J. Acc. Chem. Res. 2016, 49, 286. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00420

    37. [37]

      Stranks, S. D. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1515. doi: 10.17863/CAM.12818

    38. [38]

      Du; M. H. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 9091. doi: 10.1039/c4ta01198h

    39. [39]

      Brandt, R. E.; Stevanovic, V.; Ginley, D. S.; Buonassisi, T. Mrs Commun. 2015, 5, 265. doi: 10.1557/mrc.2015.26

    40. [40]

      Walsh, A.; Zunger, A. Nat. Mater. 2017, 16, 964. doi: 10.1038/nmat4973

    41. [41]

      Chu, W.; Zheng, Q.; Prezhdo, O. V.; Zhao, J.; Saidi, W. A. Sci. Adv. 2020, 6, eaaw7453. doi: 10.1126/sciadv.aaw7453

    42. [42]

      Kim, S.; Walsh, A. Comment on "Low-frequency lattice phonons in halide perovskites explain high defect tolerance toward electron-hole recombination", arXiv: 2003.05394vl[cond-mat.mtrl-sci] 11 Mar 2020.

    43. [43]

      Miyata, K.; Meggiolaro, D.; Trinh, M. T.; Joshi, P. P.; Mosconi, E.; Jones, S. C.; Angelis, F. D.; Zhu, X. Y. Sci. Adv. 2017, 3, e1701217. doi: 10.1126/sciadv.1701217

    44. [44]

      Neukirch, A. J.; Nie, W.; Blancon, J. C.; Appavoo, K.; Tsai, H.; Sfeir, M. Y.; Katan, C.; Pedesseau, L.; Even, J.; Crochet, J. J.; et al. Nano Lett. 2016, 16, 3809. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b01218

    45. [45]

      Ambrosio, F.; Wiktor, J.; Angelis, F. D.; Pasquarello, A. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 101. doi: 10.1039/c7ee01981e

    46. [46]

      Green, M. A.; Ho-Baillie, A.; Snaith, H. J. Nature Photon. 2014, 8, 506. doi: 10.1038/nphoton.2014.134

    47. [47]

      Wang, R.; Xue, J. J.; Wang, K. L.; Wang, Z. K.; Luo, Y. Q.; Fenning, D.; Xu, G. W.; Nuryyeva, S.; Huang, T. Y.; Zhao, Y. P.; et al. Science 2019, 366, 1509. doi: 10.1126/science.aay9698

    48. [48]

      Chen, B.; Rudd, P. N.; Yang, S.; Yuan, Y.; Huang, J. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 3842. doi: 10.1039/C8CS00853A

    49. [49]

      Wu, W. Q.; Yang, Z.; Rudd, P. N.; Shao, Y.; Dai, X.; Wei, H.; Zhao, J.; Fang, Y.; Wang, Q.; Liu, Y.; et al. Sci. Adv. 2019, 5, eaav8925. doi: 10.1126/sciadv.aav8925

    50. [50]

      Guo, P.; Ye, Q.; Yang, X.; Zhang, J.; Xu, F.; Shchukin, D.; Wei, B.; Wang, H. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 2497. doi: 10.1039/C8TA11524A

    51. [51]

      Li, J. L.; Yang, J.; Wu, T.; Wei, S. H. J. Mater. Chem. C 2019, 7, 4230. doi: 10.1039/C8TC06222F

    52. [52]

      Klug, M. T.; Osherov, A.; Haghighirad, A. A.; Stranks, S. D.; Brown, P. R.; Bai, S.; Wang, J. T. W.; Dang, X.; Bulovic, V. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 236. doi: 10.1039/c6ee03201j

    53. [53]

      Ming, W.; Yang, D.; Li, T.; Zhang, L.; Du, M. H. Adv. Sci. 2017, 5, 1700662. doi: 10.1002/advs.201700662

    54. [54]

      Wang, J.; Li, W.; Yin, W. J. Adv. Mater. 2020, 32, 1906115. doi: 10.1002/adma.201906115

    55. [55]

      Wang, R.; Xue, J.; Wang, K. L.; Wang, Z. K.; Yang, Y. Science 2019, 366, 1509. doi: 10.1126/science.aay9698

    56. [56]

      Ni, Z. Y.; Bao, C. X.; Liu, Y.; Jiang, Q.; Wu, W. Q.; Chen, S. S.; Dai, X. Z.; Chen, B.; Hartweg, B.; Yu, Z. S.; Holman, Z.; Huang, J. S. Science 2020, 367, 1352. doi: 10.1126/science.aba0893

    57. [57]

      Son, D.; Kim, S.; Seo, J.; Lee, S.; Shin, H.; Lee, D.; Park, N. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1358. doi: 10.1021/jacs.7b10430

    58. [58]

      Lin, Y.; Chen, B.; Fang, Y.; Zhao, J.; Bao, C.; Yu, Z.; Deng, Y.; Rudd, P. N.; Yan, Y.; Yuan, Y. Nat. Commun. 2018, 9, 4981. doi: 10.1038/s41467-018-07438-w

    59. [59]

      Birkhold, S. T.; Precht, J. T.; Liu, H.; Giridharagopal, R.; Eperon, G. E.; Schmidt-Mende, L.; Li, X.; Ginger, D. S. Acs Energy Lett. 2018, 3, 1279. doi: 10.1021/acsenergylett.8b00505

    60. [60]

      Gao, F.; Zhao, Y.; Zhang, X. W.; You, J. B. Adv. Energy Mater. 2019, 1902650. doi: 10.1002/aenm.201902650

    61. [61]

      Abdi-Jalebi, M.; Andaji-Garmaroudi, Z.; Cacovich, S.; Stavrakas, C.; Philippe, B.; Richter, J. M.; Alsari, M.; Booker, E. P.; Hutter, E. M.; Pearson, A. J. Nature 2018, 555, 497. doi: 10.1038/nature25989

    62. [62]

      Bi, C.; Zheng, X.; Chen, B.; Wei, H.; Huang, J. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1400. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00356

    63. [63]

      Jung, M.; Shin, T. J.; Seo, J.; Kim, G.; Seok, S. I. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2188. doi: 10.1039.C8EE00995C

    64. [64]

      Fu, Y.; Wu, T.; Wang, J.; Zhai, J.; Shearer, M. J.; Zhao, Y.; Hamers, R. J.; Kan, E.; Deng, K.; Zhu, X. Y.; Jin, S. Nano Lett. 2017, 17, 4405. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b01500

    65. [65]

      Son, D. Y.; Lee, J. W.; Choi, Y. J.; Jang, I. H.; Lee, S.; Yoo, P. J.; Shin, H.; Ahn, N.; Choi, M.; Kim, D.; Park, N. G. Nat. Energy 2016, 1, 16081. doi: 10.1080/01411599908224497

    66. [66]

      Shao, Y.; Xiao, Z.; Bi, C.; Yuan, Y.; Huang, J. Nat. Commun. 2014, 5, 5784. doi: 10.1038/ncomms6784

    67. [67]

      Aberle, A. G. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2001, 65, 239. doi: 10.1016/S0927-0248(00)00099-4

    68. [68]

      Grancini, G.; Roldán-Carmona, C.; Zimmermann, I.; Mosconi, E.; Lee, X.; Martineau, D.; Narbey, S.; Oswald, F.; De Angelis, F.; Grätzel, M. Nat. Commun. 2017, 8, 15684. doi: 10.1038/ncomms15684

    69. [69]

      Lee, D. S.; Yun, J. S.; Kim, J.; Soufiani, A. M.; Chen, S.; Cho, Y.; Deng, X.; Seidel, J.; Lim, S.; Huang, S. ACS Energy Lett. 2018, 3, 647. doi: acsenergylett.8b00121

    70. [70]

      Wang, Z.; Lin, Q.; Chmiel, F. P.; Sakai, N.; Herz, L. M.; Snaith, H. J. Nat. Energy 2017, 6, 17135. doi: 10.1038/nenergy.2017.135

    71. [71]

      Lin, Y.; Bai, Y.; Fang, Y.; Chen, Z.; Yang, S.; Zheng, X.; Tang, S.; Liu, Y.; Zhao, J.; Hwang, I. J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 654. doi: 10.1021/acs.jpclett.7b02679

    72. [72]

      Jokar, E.; Chien, C. H.; Fathi, A.; Rameez, M.; Chang, Y. H.; Diau, E. W. G. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2353. doi: 10.1039/C8EE00956B

    73. [73]

      Jiang, Q.; Zhao, Y.; Zhang, X.; Yang, X.; Chen, Y.; Chu, Z.; Ye, Q.; Li, X.; Yin, Z.; You, J. Nat. Photonics 2019, 13, 460. doi: 10.1038/s41566-019-0398-2

    74. [74]

      Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643. doi: 10.1126/science.1228604

    75. [75]

      Li, Q.; Zhao, Y.; Fu, R.; Zhou, W.; Zhao, Y.; Liu, X.; Yu, D.; Zhao, Q. Adv. Mater. 2018, 30, 1803095. doi: 10.1002/adma.201803095

    76. [76]

      Xie, F.; Chen, C. C.; Wu, Y.; Li, X.; Cai, M.; Liu, X.; Yang, X.; Han, L. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 1942. doi: 10.1039/C7EE01675A

    77. [77]

      Uribe, J. I.; Ciro, J.; Montoya, J. F.; Osorio, J.; Jaramillo, F. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 1047. doi: 10.1021/acsaem.7b00194

    78. [78]

      Chen, B.; Yu, Z.; Liu, K.; Zheng, X.; Liu, Y.; Shi, J.; Spronk, D.; Rudd, P. N.; Holman, Z.; Huang, J. Joule 2019, 3, 177. doi: 10.1016/j.joule.2018.10.003

    79. [79]

      Chen, Q.; Zhou, H.; Fang, Y.; Stieg, A. Z.; Song, T. B.; Wang, H. H.; Xu, X.; Liu, Y.; Lu, S.; You, J. Nat. Commun. 2015, 6, 7269. doi: 10.1038/ncomms8269

    80. [80]

      Nan, G. J.; Zhang, X.; Abdi-Jalebi, M.; Andaji-Garmaroudi, Z.; Stranks, S. D.; Lu, G.; D. Beljonne. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702754. doi: 10.1002/aenm.201702754

    81. [81]

      Li, N.; Tao, S.; Chen, Y.; Niu, X.; Zhou, H. Nat. Energy 2019, 4, 408. doi: 10.1038/s41560-019-0382-6

    82. [82]

      Li, X.; Chen, C. C.; Cai, M.; Hua, X.; Xie, F.; Liu, X.; Hua, J.; Long, Y. T.; Tian, H.; Han, L. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800715.1. doi: 10.1002/aenm.201800715

    83. [83]

      Yang, S.; Dai J.; Yu, Z. H.; Shao, Y. C.; Xun, Z. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 5781. doi: 10.1021/jacs.8b13091

    84. [84]

      Yin, W. J.; Wu, Y.; Wei, S. H.; Noufi, R.; Yan, Y. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1. doi: 10.1002/aenm.201300712

    85. [85]

      Ke, W.; Xiao, C.; Wang, C.; Saparov, B.; Duan, H. S.; Zhao, D.; Xiao, Z.; Schulz, P.; Harvey, S. P.; Liao, W.; et al. Adv. Mater. 2016, 28, 5214. doi: 10.1002/adma.201600594

    86. [86]

      Xu, J.; Buin, A.; H. Ip, A.; Li, W.; Voznyy, O.; Comin, R.; Yuan, M.; Jeon, S.; Ning, Z.; McDowell, J. J.; et al. Nat. Commun. 2015, 6, 7081. doi: 10.1038/ncomms8081

    87. [87]

      Noel, N. K.; Abate, A.; Stranks, S. D.; Parrott, E. S.; Burlakov, V. M.; Goriely, A.; Snaith, H. J. ACS Nano 2014, 8, 9815. doi: 10.1021/nn5036

    88. [88]

      黄杨, 孙庆德, 徐文, 何垚, 尹万健.物理化学学报, 2017, 33, 1730. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705042Huang, Y.; Sun, Q. D.; Xu, W.; He, Y.; Yin, W. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1730. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705042

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  51
  • 文章访问数:  1085
  • HTML全文浏览量:  207
文章相关
  • 发布日期:  2021-04-15
  • 收稿日期:  2020-08-17
  • 接受日期:  2020-09-09
  • 修回日期:  2020-09-07
  • 网络出版日期:  2020-09-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章