摘要

三維(3D)鈣鈦礦吸光材料的頂部和底部界面處的缺陷會降低鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的性能和工作穩定性，這歸因于電荷復合、離子遷移和電場不均勻性。阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)的 Stefaan De Wolf 教授和蔚山國立科學技術研究院(UNIST)的 Sang Il Seok 教授領導的團隊在Nature期刊發表最新研究成果，展示了長鏈烷基胺配體可以在頂部和底部3D鈣鈦礦界面處生成近相純2D鈣鈦礦，并有效解決上述問題。該研究開發的雙面2D/3D異質結倒置PSCs實現了25.6%的功率轉換效率(認證效率25.0%)，并在 85 °C 空氣中1個太陽照射1000小時后仍能保持95%的初始效率。值得一提的是，該課題組使用光焱科技獲得 ISO 17025 認證的太陽光模擬器和量子效率測試系統，確保了器件效率測試的準確性和可靠性，進一步提升了研究成果的可信度。

本研究推薦使用設備
QE-R PV/太陽能電池量子效率測量系統

研究背景與核心概念

近年來，PSCs憑借其高效率、低成本等優勢成為光伏領域的研究熱點。然而，PSCs的長期穩定性仍然是制約其商業化應用的關鍵瓶頸。3D鈣鈦礦吸光材料的頂部和底部界面處的缺陷會導致電荷復合、離子遷移和電場不均勻性，從而降低器件的效率和穩定性。

為了解決這些問題，研究人員開發了各種界面工程策略，其中2D/3D鈣鈦礦異質結表現出良好的應用前景。通常，2D/3D異質結是通過將2D配體溶液后處理沉積的3D鈣鈦礦薄膜，通過陽離子交換重建3D鈣鈦礦表面形成的。然而，這種策略僅適用于3D鈣鈦礦薄膜的頂表面，而且通常會導致形成具有多種維度 (n = 1, 2, 3 等)和隨機晶體取向的混合2D鈣鈦礦，這可能會導致界面能量不均勻性，并阻礙電荷傳輸。相比之下，相純2D鈣鈦礦鈍化可以顯著降低電荷陷阱密度和離子遷移，從而顯著提高器件的性能和穩定性。

研究方法與主要發現

為了構建雙面2D/3D異質結，研究人員采用了兩種不同的策略：

1.底部2D/3D異質結:

在ITO底電極上，通過自組裝單層(SAM)分子2PACz錨定空穴收集觸點(p型)。

將4-羥基芐胺(HBzA)配體與 2PACz SAM 溶液混合，并涂覆在ITO底電極上。HBzA的胺頭與2PACz的膦酸基團(-PO(OH)2)發生酸堿反應，形成離子鍵，從而增強HBzA在后續處理過程中的附著力。

旋涂3D鈣鈦礦墨水，并在熱退火過程中，HBzA配體被釋放，通過與3D鈣鈦礦墨水中的甲脒(FA+)或銫(Cs+)發生陽離子交換，在底部界面形成2D鈣鈦礦。

2.頂部3D/2D異質結:

在制備好的3D鈣鈦礦薄膜上，通過真空蒸鍍沉積一層厚度可控的PbI2層。

將HBzA鹽溶液或HBzA鹽+甲脒碘化物溶液滴在鈣鈦礦/PbI2薄膜上。

熱退火形成具有可控維度和相純度的2D鈣鈦礦層。

研究人員利用一系列表征技術，包括X射線光電子能譜(XPS)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、光致發光(PL)光譜和掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)等，對雙面2D/3D異質結的形成過程和結構進行了深入分析。

研究結果與討論
研究結果表明，HBzA配體可以有效地錨定在ITO/2PACz表面，并在3D鈣鈦礦沉積后釋放，形成底部2D/3D異質結。頂部3D/2D異質結的形成則依賴于PbI2層的厚度控制和HBzA鹽溶液的滴涂。通過優化2D配體濃度和PbI2層厚度，研究人員成功制備了近相純的2D鈣鈦礦鈍化層。

器件性能：

l 雙面2D/3D異質結PSCs實現了25.63%的最高功率轉換效率(PCE)。

l 為了確保PCE測量的準確性，該研究采用了光焱科技獲得 ISO 17025 認證的太陽光模擬器進行測試，并獲得了25.00%的認證效率。

l 與沒有2D/3D異質結的控制組器件以及僅有頂部或底部2D/3D異質結的器件相比，雙面2D/3D異質結PSCs的PCE顯著提高。

器件穩定性：

l 封裝的雙面2D/3D異質結器件在 85 °C 空氣中1個太陽照射1000小時后仍能保持95%的初始PCE。

l 相比之下，控制組器件和僅有單面鈍化的器件在相同條件下的穩定性較差。

性能提升原因:

l PL量子產率和TRPL測試結果表明，雙面2D/3D異質結有效抑制了界面處的電荷復合，并延長了載流子壽命。

l 空間電荷限制電流(SCLC)和熱導納譜(TAS)分析表明，雙面2D/3D異質結顯著降低了鈣鈦礦薄膜中的缺陷態密度。

l 電容-電壓測量和截面開爾文探針力顯微鏡(KPFM)分析表明，雙面2D/3D異質結有效減少了界面處的電荷積累和電場不均勻性。

l 碘釋放和離子遷移測試結果表明，雙面2D/3D異質結有效抑制了碘的生成和遷移，提高了鈣鈦礦晶體的穩定性。

結論與展望

該研究提出的雙面2D/3D異質結策略為制備高效穩定的倒置PSCs提供了一種新思路。通過在3D鈣鈦礦吸光材料的頂部和底部界面處形成近相純2D鈣鈦礦鈍化層，有效解決了界面缺陷導致的電荷復合、離子遷移和電場不均勻性問題，從而顯著提高了器件的效率和穩定性。通過采用光焱科技獲得 ISO 17025 認證的設備進行測試，進一步保證了研究結果的準確性和可靠性。

未來，可以通過進一步優化2D配體和界面工程，以及結合其他材料和器件結構設計，進一步提升PSCs的性能，推動其在光伏領域的應用。

本文參數圖:

Fig S8_子圖a：展示了沒有白光偏置的雙面2D/3D異質結基礎設備的EQE曲線，以及估算帶隙為1.53 eV的Cs0.02MA0.75FA0.95PbI3鈣鈦礦材料的EQE曲線的一階導數。

子圖b：展示了估算帶隙為1.54 eV的Cs0.05FA0.95PbI3鈣鈦礦材料的EQE曲線及其一階導數。

兩個子圖中的EQE曲線都顯示了在特定波長范圍內的高效率平臺，這表明材料對光的吸收和轉換效率很高。文本描述指出，從J-V分析得到的Jsc值與從EQE分析積分得到的Jsc值一致，誤差小于1%。這說明了實驗數據的一致性和可靠性。

原文出處:Nature volume 628, pages93–98 (2024)

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