一、研究背景
由于载流子寿命长、带隙可调、吸光系数高等优点，钙钛矿材料近年在光伏、发光、成像等领域获得广泛应用和关注。结晶调控是获得光电性能优异的钙钛矿薄膜与器件的关键。然而，退火过程中的快速结晶往往导致较差的钙钛矿薄膜形貌、大量的缺陷产生以及严重的非辐射复合，极大地限制了器件的性能。具体而言，广泛采用的连续高温退火由于初始温度高，内部和表面的溶剂快速蒸发，容易在钙钛矿薄膜中造成许多针孔。此外，高温条件下钙钛矿的成核时间窗口较短，通常难以形成有利于大晶粒生长的晶核，导致大量小尺寸的碎晶及晶界缺陷产生。因此，改进退火工艺精细调节钙钛矿的结晶过程，依然是一项有趣且有挑战性的课题。
二、文章概述
近日，暨南大学陈科与中国科学技术大学胡芹联合报道了一种简单通用的梯度热退火（GTA）策略，有效调控并细致讨论了钙钛矿薄膜的结晶过程。GTA通过引入一个低温启动阶段，使得钙钛矿薄膜上表面形成一层结晶外壳以减缓溶剂的蒸发，因而延长了钙钛矿成核的时间窗口，为接下来高温阶段的钙钛矿快速结晶提供了极大的缓冲。GTA策略制备的钙钛矿薄膜平均晶粒尺寸是连续高温退火对照组的1.6倍，同时还表现出显著增强的结晶度以及更多（100）和（111）等优势晶面，且拥有更低的电荷缺陷密度、非辐射复合以及残余微应力。基于GTA策略制备的钙钛矿器件兼备高效率光伏和优异弱光探测双重功能，弱光响应低至303 pW，线性动态范围达到174 dB，器件在未封装储存、连续加热、光照等条件下的长期稳定性也得到改善。这项工作通过详实的实验表征和分析讨论，为钙钛矿薄膜结晶调控提供有价值的见解，对钙钛矿光电器件的应用具有积极意义。
三、图文导读
图1. 钙钛矿薄膜的制备流程及形貌。(a)钙钛矿太阳能电池的结构示意图；（b）钙钛矿分别使用一步高温退火和GTA的实验步骤示意图；（c）-（f）使用一步退火处理5min、10min、20min、25min时与（g）-（j）GTA处理4min、8min、23min、28min时钙钛矿表面SEM图像；一步退火20min和GTA 23min的钙钛矿晶粒平均尺寸的统计直方图（k）和AFM图像（l）。
图2.钙钛矿薄膜晶体结构与光致荧光表征。（a）-（b）不同退火条件钙钛矿薄膜随着时间变化的XRD图像；（c）-（d）不同退火条件钙钛矿薄膜的PL mapping图像与（e）发光强度统计；（f）-（g）不同退火条件钙钛矿薄膜的PL峰强随着时间变化的图像与（h）图 2（g）的放大图，GTA 退火时间为 11、18、23 和 28 分钟。
图3 钙钛矿薄膜的光电性质表征。薄膜经过GTA处理和未经GTA处理的（a）TRPL（b）UV-Vis吸收光谱（c）UPS（d）XPS图像；采用SCLC方法测量薄膜的缺陷态密度,（e）Electron-only device和（f）Hole-only device在对数坐标下的J-V曲线。
图4 钙钛矿光伏器件和光探测器件的性能表征。器件（a）在黑暗条件下J-V曲线（暗电流）；不同光功率下器件（b）Jsc和（c）Voc的依赖特性；器件的（d）Mott-Schottky（e）TPC（f）TPV（g）EIS曲线；（h）光探测器的LDR和（g）弱光检测极限，测试波长532nm。
图5 光伏器件与光探测器件的性能与稳定性。(a)实验与对照组器件的J-V特征曲线；(b)实验与对照组器件的EQE响应和对应的积分电流；(c) PCE统计分布图；(d)未封装的光伏电池储存稳定性；(e)未封装的光伏电池65℃持续加热条件的稳定性；(f)光探测器在532nm激光照射下的循环光照稳定性。
[致谢：作者感谢国家自然科学基金（62004082、62104221）、广州市科技计划项目（202201010567）、广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515010276）的资助]
论文信息：
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