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透射电镜观察有机无机杂化钙钛矿

2020-07-02

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透射电镜观察有机无机杂化钙钛矿

近年来，由于高效的光电转换效率，基于有机无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PI3,MAPbI3)的太阳能电池得到了飞速发展。近十年来，其光电转换效率已从最初的3.8%迅速增长至目前的25.2%，几乎可以媲美单晶硅太阳能电池。然而该技术的商业化应用却受限于杂化钙钛矿材料的结构不稳定性，高温、氧气、潮湿环境、光照等加速材料分解进而引起器件性能衰减。因此，有必要深化对降解机理的认识，从而指导器件设计和材料的合成。

近日，北京大学、哈尔滨工业大学、石家庄铁道大学、中科院深圳先进技术研究院等单位合作，利用透射电子显微镜，系统研究了有机无机杂化钙钛矿在电子辐照下的结构不稳定性，揭示了有机无机杂化钙钛矿普适性的分解路径，探究了影响其分解的主要因素，提出了抑制分解的有效策略，并且根据它们对电子束敏感的特征，提出了在电镜表征过程中如何正确判断是否有分解以及缓解分解过程等。相关成果分别发表在 Advanced Materials和 Science Bulletin上，来自哈尔滨工业大学和北京大学联合培养博士研究生陈树林和石家庄铁道大学研究生张颖为文章的共同第一作者，北京大学高鹏研究员、哈尔滨工业大学亓钧雷教授、石家庄铁道大学赵晋津教授和中科院深圳先进技术研究院李江宇教授为共同通讯作者，详见：

General decomposition pathway of organic-inorganic hybrid perovskites through an intermediate superstructure and its suppression mechanism, Advanced Materials, 2020, 2001107， doi: 10.1002/adma.202001107；
Transmission electron microscopy of organic-inorganic hybrid perovskites: myths and truths, Science Bulletin 2020 (in press), arXiv:2004.12262.

该合作团队在过去几年一直致力于有机无机杂化钙钛矿分解机理的研究。他们通过自生长方式利用温度梯度和毛细效应，在多级孔半导体基底上自主装制备了高质量的MAPbI3大单晶薄膜（Science Bulletin 62, 1173–1176, 2017）。他们借助透射电子显微镜，通过严格控制电子束剂量率，研究了大单晶MAPbI3的电子衍射标定问题，发现了该材料即使在低电子束剂量下也不稳定，估计了在电子束辐照条件下避免损伤的阈值条件，并揭示了相应的分解路径（Nature Communications, 9, 4807, 2018）。在前期工作的基础上，他们最近进一步验证了所提出的分解路径是否具有普适性，并探究了影响分解的主要因素，提出了抑制分解的策略。

成果1

有机无机杂化钙钛矿普适性的分解路径及抑制

研究者首先通过低电子束剂量率（1 e Å-2 s-1）的电子衍射技术表征了单晶MAPbI3，发现随着电子束剂量的增加，衍射图谱中会产生超结构衍射点，他们认为超结构衍射点可能是由有序的卤族离子空位（MAPbI2.5）导致的。并且模拟的电子衍射可以较好地和实验的电子衍射图谱吻合，说明了这种有序空位结构的合理性。同样地采用电子衍射成像，他们在MAPbBr3以及无机钙钛矿CsPbBr3中也发现了含有有序卤族离子空位的超结构相，这表明ABO2.5形式的有序空位不仅仅是MAPbI3中的特例，在有机无机杂化钙钛矿及全无机钙钛矿中也普遍存在，类似于在ABO2.5形式的钙钛矿氧化物中观察到的空位。

图1. MAPbI3和MAPbBr3中形成的超结构

超结构衍射点代表的有序空位是由于电子照射下卤族离子的丢失所致，因此与杂化钙钛矿的分解密切相关。连续的电子衍射分析表明，MAPbI3的分解可能先是由碘离子的丢失引起的，形成超结构相MAPbI2.5，然后进一步丢失甲胺根离子和剩余的碘离子形成MAyPbI2.5-z (0≤y≤1和0≤z≤0.5)，伴随着超结构相的消失，最后分解成PbI2。类似的分解过程在MAPbBr3辐照过程中也被观察到。故而无论是四方的MAPbI3还是立方的MAPbBr3，在电子束的辐照下都会产生有序的卤族离子空位，生成MAPbX2.5中间相，并进一步丢失甲胺根离子和剩余的卤族离子，最终造成钙钛矿结构的崩塌，生成卤族铅化物（PbX2）。

值得注意的是，由于MAPbI3的分解产物PbI2的电子衍射图谱和MAPbI3的衍射图谱十分接近（通常PbI2会比MAPbI3少一些衍射点），但很多文献却没有注意到这些细微的差别，从而错误地把PbI2的衍射图谱标定成MAPbI3（如表1所示）。相比较而言，文献里MAPbBr3的电子衍射标定几乎都是正确的，因为MAPbBr3结构相对较稳定，损伤的阈值剂量要更高。

图2. MAPbI3和MAPbBr3普适的分解路径

表1.文献中关于MAPbI3电子衍射或者快速傅里叶变化图谱的研究

可以注意到，这类杂化钙钛矿在较低的剂量下就会发生损伤并分解成卤族铅化物。这极大地阻碍了精细的电镜表征，包括原位实验研究其在不同外场下的分解机理，故而有必要探究如何去抑制分解、稳定结构。研究者通过对连续的电子衍射图谱分析发现当电子束剂量为791 e Å-2时，MAPbI3就已经完全分解成PbI2了。而在MAPbI3上下两面都包覆上薄层的非晶碳后（~10 nm），由于较薄的非晶碳层可以作为扩散的障碍层，阻碍了离子的丢失，所以即使电子束剂量增加到7600 e Å-2，钙钛矿的特征衍射点(002)依旧可以被观察到，说明包覆可以起到稳定结构抑制分解的作用。研究者进一步通过SEM-EDS的定量分析和形貌演变说明了碳包覆抑制分解的作用。

图3. 碳包覆对分解的抑制

成果2

有机无机杂化钙钛矿透射电镜表征的虚与实

另外，研究者利用低电子束剂量成像技术系统地研究了不同实验条件下杂化钙钛矿的结构不稳定性，揭示了最优的透射电镜表征条件（Transmission electron microscopyof organic-inorganic hybrid perovskites: myths and truths, Science Bulletin2020 (in press), arXiv:2004.12262.）。他们利用透射电镜低温杆（Gatan636）将温度降到−180 ℃，观察到当电子束剂量为150 eÅ-2时，钙钛矿就已经发生了非晶化转变。而在常温和较高温（90 ℃）的时候，均需要较大的电子束剂量（450–520 e Å-2）才能诱发MAPbI3到PbI2的转变。这说明低温并没有阻碍钙钛矿的分解，反而会导致快速的非晶化转变。

图4. 温度对MAPbI3电子束敏感性的影响

此外研究者还探究了电子束加速电压以及钙钛矿的暴露晶面对其稳定性的影响。他们发现较高的加速电压有利于降低损伤，进而说明了有机无机杂化钙钛矿的损伤机理主要为电离损伤机制（radiolysis），而非碰撞损伤（knock-on）或加热效应（heating）。故而说明表征有机无机杂化钙钛矿时应该用相对较高的电压以降低损伤。此外他们还发现MAPbI3 (100)面比(001)面更稳定，这可能是由于碘离子在（100）面的扩散势垒高，难以扩散，从而表现得更加稳定。此发现也可以对晶面调控工程给予指导，例如合成（100）面暴露的钙钛矿有可能提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。

图5. 加速电压和暴露的晶面对MAPbI3电子束敏感性影响

基于这些发现，他们借助于直接电子探测相机（K2），在电子束剂量为3.1e Å-2时，成功拍摄了MAPbI3原始的原子结构，其对应的傅里叶变换图谱可以和模拟的衍射图谱吻合。而当电子束剂量增加为 6.2 e Å-2，对应的傅里叶变换图谱中就出现了微弱的超结构衍射点；当剂量进一步增加到24.9 e Å-2，超结构衍射点变得较为明显。这些发现进一步表明了杂化钙钛矿对电子束的敏感性，只有较窄的窗口才能实现无损表征。

图6. MAPbI3和超结构相的原子结构

总结与展望

在以往的大量研究中，有机无机杂化钙钛矿的透射电镜表征是在较高电子束剂量下进行的，它们对电子束的高度敏感性容易被忽略。因此，即使对于相对剂量较低的衍射模式成像，得到的实验数据与理论也存在差异。考虑到HRTEM、STEM、EELS和EDS下的剂量通常比电子衍射成像高得多，故而预计会产生更严重的损伤。对于这些损伤，有利的一面是帮助我们理解这些材料的失效机理，也为理解实际器件的失效机制提供了一些有益的启示。另一方面，还可以在显微镜中探究通过包覆等策略抑制其分解的机制，进而为器件设计提供有益参考。值得注意的是，虽然关于失效机制已经有一些原位TEM研究报道，但考虑到他们使用的电子束剂量较高，因而电子束诱导的损伤可能对实验现象造成了较大得影响。（透射电子显微镜）

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