研究成就及看點(diǎn)

南方科技大學(xué)何祝兵教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳門大學(xué)邢貴川教授、南方科技大學(xué)范靖教授等，在頂級(jí)期刊Joule上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，文章標(biāo)題為"Enhancing electron transport for efficiency -recorded HTL-free inverted perovskite solar cells by molecular complementary passivation"，成功開發(fā)分子互補(bǔ)鈍化（MCP）策略，有效解決無HTL反式鈣鈦礦太陽能電池的界面缺陷問題。該策略結(jié)合丙基膦酸3-氨基溴鹽PPAABr和苯乙基溴化銨PEABr，協(xié)同鈍化碘和甲脒空位，并填充FA空位，從而降低缺陷密度、提升載流子壽命并優(yōu)化能級(jí)，促進(jìn)電子提取。藉由MCP策略，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)下無HTL反式鈣鈦礦太陽能電池26.40%（認(rèn)證25.92%）的效率紀(jì)錄，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的器件穩(wěn)定性（1000小時(shí)光照后保持94.8%效率）。該策略亦在1.68 eV寬能隙鈣鈦礦太陽能電池中取得23.66%的效率，可與其他優(yōu)秀的研究成果相媲美，展現(xiàn)其廣泛的適用性。

研究團(tuán)隊(duì)

這項(xiàng)開創(chuàng)性研究由以下機(jī)構(gòu)的重要研究者共同完成：

•南方科技大學(xué)（Southern University of Science and Technology, SUSTech）

•澳門大學(xué)（University of Macau）

其中，通訊作者為南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系的何祝兵教授。

研究背景

早期研究側(cè)重于改善鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和開發(fā)p型摻雜策略，例如摻入CuSCN、CuI等，或引入SAMs如Me-4PACz、2PACz，以及何祝兵團(tuán)隊(duì)先前開發(fā)的DMAcPA，主要著力于改善鈣鈦礦本體及與ITO電極的界面特性。

然而，深入研究后發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦與電子傳輸層（ETL）的頂部界面管理也同樣重要。此界面易形成碘空位（VI）和甲脒空位（VFA）等深能級(jí)缺陷，導(dǎo)致嚴(yán)重的非輻射復(fù)合，成為效能和穩(wěn)定性的主要瓶頸。盡管有研究嘗試使用單一分子進(jìn)行鈍化，但由于界面化學(xué)環(huán)境復(fù)雜，單一分子的效果往往有限，難以同時(shí)解決所有缺陷問題。此外，大尺寸銨陽離子可能無法形成均勻完整的2D鈣鈦礦表面層，留下殘余缺陷位點(diǎn)。

因此，設(shè)計(jì)具有特定功能的多分子組合策略，以有效鈍化鈣鈦礦/ETL界面并調(diào)控能級(jí)，成為提升無HTL反式PSC性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

解決方案

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了分子互補(bǔ)鈍化（MCP）策略。該策略的核心思想是利用兩種具有互補(bǔ)化學(xué)功能的分子——丙基膦酸3-氨基溴鹽（PPAABr）苯乙基溴化銨（PEABr），協(xié)同作用于鈣鈦礦/ETL界面。

•PPAABr的雙功能性：PPAABr分子包含一個(gè)膦酸基團(tuán)（–PO(OH)2）銨基團(tuán)（–NH3+）。通過DFT計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)期并證實(shí)膦酸基團(tuán)中的**–P=O部分能夠與鈣鈦礦表面因碘空位暴露的鉛離子（Pb）形成強(qiáng)的配位鍵（dative bond），有效鈍化VI缺陷。同時(shí)，–NH3+基團(tuán)則可以通過靜電相互作用和可能的氫鍵與鈣鈦礦表面的碘離子結(jié)合。此外，PPAA+的–NH3+**基團(tuán)與FA+具有相同的電荷和相似的結(jié)構(gòu)，因此也能有效填充FA空位（VFA）。

•PEABr的輔助鈍化：苯乙基溴化銨（PEABr）是一種常用的界面修飾劑，其較大的苯乙基銨陽離子（PEA+）主要通過填充鈣鈦礦表面的FA空位來實(shí)現(xiàn)鈍化。研究團(tuán)隊(duì)將PEABr與PPAABr結(jié)合使用，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)FA空位的更全面鈍化，并可能在鈣鈦礦表面形成一層薄的、具有鈍化作用的類二維結(jié)構(gòu)。

•費(fèi)米能級(jí)調(diào)控：研究團(tuán)隊(duì)還預(yù)期，通過MCP處理，可以有效調(diào)控鈣鈦礦表面的電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，將表面費(fèi)米能級(jí)推向更接近ETL（PC61BM）的能級(jí)，從而促進(jìn)電子的有效抽取，減少界面電荷積累和非輻射復(fù)合。

通過這兩種分子的協(xié)同作用，MCP策略旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦表面多種缺陷的有效鈍化，優(yōu)化界面能級(jí)排列，最終提升無HTL反式鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)步驟與過程

1.PPAABr分子的合成與表征：首先按照既定的化學(xué)反應(yīng)路線合成了丙基膦酸3-氨基溴鹽（PPAABr）。通過核磁共振以及質(zhì)譜等手段對(duì)合成的PPAABr分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確證。

2.鈣鈦礦薄膜的制備：研究中使用的鈣鈦礦組成是(FA0.95Cs0.05PbI3)0.96(MAPbBr3)0.04，并摻雜了DMAcPA。采用旋涂法在ITO玻璃基板上制備了鈣鈦礦薄膜，并在最后階段滴加氯苯（CB）作為反溶劑以優(yōu)化薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。為了增強(qiáng)薄膜的結(jié)晶性，在前驅(qū)體溶液中加入了甲基氯化銨（MACl）。

3.表面鈍化處理：

○對(duì)照組（Control）： 在制備好的鈣鈦礦薄膜表面旋涂濃度為1 mg/mL的PEABr異丙醇/二甲亞砜（IPA/DMSO，體積比200:1）混合溶液，然后在100℃下退火5分鐘。

○MCP處理組： 將PEABr（1 mg/mL）和PPAABr（0.3 mg/mL）溶解在IPA/DMSO（200:1）混合溶劑中，然后將混合溶液旋涂在制備好的鈣鈦礦薄膜表面，隨后在100℃下退火5分鐘。

○為了進(jìn)行對(duì)比研究，研究團(tuán)隊(duì)還制備了僅使用PPAABr或PPAAI進(jìn)行表面處理的器件。

4.器件的制備：在經(jīng)過表面處理的鈣鈦礦薄膜上，依次旋涂電子傳輸層PC61BM（20 mg/mL的氯苯溶液），并在100℃下退火10分鐘，然后旋涂緩沖層BCP（0.5 mg/mL的異丙醇溶液）。最后，通過熱蒸發(fā)在頂部沉積100 nm厚的銀（Ag）電極，完成器件的制備。為了提高器件的透光性，研究團(tuán)隊(duì)還在ITO基板的背面沉積了一層120 nm厚的氟化鎂（MgF2）增透膜。

研究成果與表征

電流密度-電壓(J-V)曲線量測(cè)

研究團(tuán)隊(duì)使用Enlitech的AM 1.5 G 模擬光源進(jìn)行J-V曲線量測(cè)。

推薦使用光焱科技Enlitech SS-X AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器，AM1.5G濾光片采用先進(jìn)的電漿沉積技術(shù)制造，具有高光譜準(zhǔn)確性和優(yōu)異的耐用性，使用壽命延長(zhǎng)三倍

圖4A：顯示了對(duì)照組和MCP器件的正向和反向掃描J-V曲線。MCP器件獲得了26.40%的PCE (25.92% 已認(rèn)證)，VOC為 1.168 V，JSC為 26.19 mA cm?2，FF為86.3%，相較之下，對(duì)照組的最佳PCE為25.12%。MCP器件還表現(xiàn)出明顯更低的遲滯效應(yīng)(0.64%)，而對(duì)照組為2.59%。

外量子效率(EQE)光譜量測(cè)

研究團(tuán)隊(duì)使用 Enlitech QE-R 3011 EQE 系統(tǒng)進(jìn)行量測(cè)。從EQE光譜積分得到的短路電流密度與J-V曲線測(cè)得的JSC高度吻合

推薦使用Enlitech QE-R量子效率光學(xué)儀，被500多個(gè)優(yōu)秀太陽能電池研究實(shí)驗(yàn)室采用，近10年發(fā)表SCI論文1000余篇，包括Nature、Science、Joule、Advanced Materials等多家旗艦期刊。

圖4C：顯示了MCP器件的EQE光譜以及積分得到的JSC值。該光譜在整個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)范圍內(nèi)都顯示出光響應(yīng)，并且在大部分波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高的效率值。積分得到的JSC值與J-V曲線測(cè)得的數(shù)值接近，驗(yàn)證了J-V測(cè)量的可靠性。

紫外線光電子能譜(UPS)

測(cè)量材料的功函數(shù)和價(jià)帶頂(VBM)能級(jí)，進(jìn)而推斷費(fèi)米能級(jí)的位置。UPS結(jié)果表明，MCP處理后，鈣鈦礦薄膜頂表面的功函數(shù)從 4.62 eV 降低到 4.37 eV。

圖3H：結(jié)合吸收光譜的Tauc圖。確定的光學(xué)帶隙為 1.53 eV，推斷出MCP處理將鈣鈦礦的表面費(fèi)米能級(jí)(EF)推向了更淺的能級(jí)，使其更接近n型特性，并更靠近 ETL (PC61BM) 的費(fèi)米能級(jí)。這有助于增強(qiáng)鈣鈦礦薄膜內(nèi)的建場(chǎng)，促進(jìn)電子-空穴對(duì)的分離，并有利于電子在鈣鈦礦/PC61BM界面的提取。

X射線光電子能譜(XPS)：用于分析鈣鈦礦薄膜表面的元素組成和化學(xué)態(tài)。XPS被用于驗(yàn)證PPAABr分子與鈣鈦礦表面缺陷（碘空位VI和FA空位VFA）之間的化學(xué)相互作用。

圖1F和1G的XPS光譜顯示了 O 1s、Pb 4f 和 I 3d 的核心能級(jí)變化，證明了–P=O基團(tuán)與Pb的配位鍵形成，以及氫鍵的形成，從而證實(shí)了PPAABr對(duì)表面缺陷的有效鈍化作用。缺陷鈍化是提升器件性能的核心機(jī)制之一。

時(shí)域光致發(fā)光光譜(TRPL)和穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜(PL)：這兩種光譜技術(shù)被用于評(píng)估MCP處理對(duì)鈣鈦礦薄膜光電性質(zhì)的影響。TRPL測(cè)量激發(fā)態(tài)載流子的壽命，而PL強(qiáng)度則反映了非輻射復(fù)合的程度。

圖2A：TRPL結(jié)果顯示，經(jīng)過MCP處理后，鈣鈦礦薄膜的激子壽命顯著增加，圖S8A的PL強(qiáng)度也顯著增強(qiáng)，這些都直接證明了MCP策略有效地鈍化了表面缺陷，減少了非輻射復(fù)合，從而提升了材料的光電性能，這直接關(guān)聯(lián)到最終的器件效率提升。

開爾文探針原子力顯微鏡(KPFM)

KPFM測(cè)量的表面電勢(shì)成像(圖3B和3E)和表面電勢(shì)線掃描(圖3C和3F)表明，MCP處理后鈣鈦礦薄膜的平均表面電勢(shì)從 -65 mV 顯著變?yōu)?/span> -532 mV (相對(duì)于金參考)。這再次確認(rèn)了鈣鈦礦頂表面功函數(shù)的降低(更淺的能級(jí))。接觸電勢(shì)差(ΔVCPD)從 33 mV 降低到 25 mV，這歸因于PPAABr填充到晶界中，使電勢(shì)更加均勻。

其他表征

•電化學(xué)阻抗譜(EIS)：用于分析器件的電阻特性和載流子復(fù)合。圖5D的EIS結(jié)果顯示，MCP處理后器件的復(fù)合電阻(Rrec)增加，表明陷阱輔助復(fù)合受到抑制，這與缺陷鈍化的結(jié)果一致，并有助于提升VOC和FF。

•空間電荷限制電流(SCLC)：用于估算鈣鈦礦薄膜中的陷阱態(tài)密度 (trap-state density)。圖5E的SCLC結(jié)果顯示，MCP處理后鈣鈦礦薄膜的陷阱態(tài)密度明顯降低，直接證明了MCP策略的缺陷鈍化效果。

•莫特-肖特基 (Mott-Schottky, M-S) 分析：用于研究器件的內(nèi)建電場(chǎng) (built-in field)。圖5F的M-S結(jié)果顯示，MCP處理后內(nèi)建電場(chǎng)有所增強(qiáng)，這有助于光生載流子的分離和傳輸，與VOC的提升相符。

結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種分子互補(bǔ)鈍化 (Molecular Complementary Passivation, MCP) 策略，并將其應(yīng)用于無電洞傳輸層(HTL-free)的反式鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)，成功打破了此類器件的效率紀(jì)錄，達(dá)到 26.40% (25.92% 已認(rèn)證)。

•創(chuàng)紀(jì)錄的效率提升：透過MCP策略，HTL-free PSCs 的功率轉(zhuǎn)換效率顯著提升至26.40% (25.92% 已認(rèn)證)，相較于控制組的25.12%有明顯進(jìn)步。這代表了在簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu)、降低成本的 HTL-free PSCs 領(lǐng)域取得了重大突破。

•有效的表面缺陷鈍化：MCP策略利用丙基膦酸3-銨溴化物(PPAABr)與苯乙基銨溴化物(PEABr)協(xié)同作用，有效地鈍化了鈣鈦礦薄膜表面的碘空位(VI)和甲脒空位(VFA)等典型缺陷。透過多重配位作用，降低了接口缺陷態(tài)密度，改善了鈣鈦礦薄膜的激子和載流子壽命。

•優(yōu)化的能級(jí)排列：MCP表面處理將鈣鈦礦表面的費(fèi)米能階推向更靠近電子傳輸層 (ETL, PC61BM) 的費(fèi)米能階。這種更有利的能級(jí)排列增強(qiáng)了接口的電子提取效率，減少了能量損失。

•改善的器件性能參數(shù)：相較于控制組，采用MCP策略的器件展現(xiàn)出更高的填充因子 (FF) 86.3%和更低的開路電壓損失 (VOC loss) 362 mV。同時(shí)，器件的遲滯效應(yīng)也明顯降低。

•提升的器件穩(wěn)定性：封裝后的MCP器件在連續(xù)光照1000小時(shí)后仍保持其初始效率的94.8%，且在濕熱測(cè)試500小時(shí)后仍保持92.4%的初始效率。這表明MCP策略不僅提升了效率，也顯著改善了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

•策略的通用性：研究證明，MCP 策略也適用于寬能隙 (1.68 eV) 鈣鈦礦太陽能電池，并取得了競(jìng)爭(zhēng)性的 23.66% 的效率，驗(yàn)證了該策略的廣泛適用性。

文獻(xiàn)參考自Joule_DOI: 10.1016/j.joule.2025.101880

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