中科院游经碧：二元协同钝化策略助力钙钛矿电池效率突破26%

本研究发表于《Nature Communications》期刊，题为《增强电荷载流子传输和缺陷钝化的钝化层，用于高效钙钛矿太阳能电池》。研究团队开发了一种创新的二元协同后处理（BSPT）策略，通过混合4-tBBAI和苯丙基碘化铵（PPAI），并旋涂于钙钛矿表面，形成高质量钝化层，有效解决了传统钝化方法中电荷传输受阻的瓶颈。该策略成功制备出经过认证的正式（n-i-p）平面结构钙钛矿太阳能电池（PSC），实现了高达26.0%的功率转换效率（PCE），并展现出优异的稳定性，在连续最大功率点追踪450小时后仍能保持81%的初始效率。

研究成就与亮点

本研究最主要的成就在于研发了一种新型二元有机卤化盐体系，用于对掺杂RbCl的FAPbI3钙钛矿薄膜进行二元协同后处理（BSPT），从而制备出高效稳定的钙钛矿太阳能电池（PSC）。该方法有效提升了钝化层的电荷传输性能和缺陷钝化功能，最终获得了26.0%的认证光电转换效率（PCE），并展现出优异的稳定性。

本研究的关键亮点包括：

提出了一种全新的BSPT策略，将tBBAI与苯丙基碘化铵（PPAI）混合，通过旋涂的方式在钙钛矿表面形成钝化层。

与单一钝化剂相比，BSPT策略不仅能进一步抑制表面缺陷，还显着增强了钝化层的结晶度，并形成了更有序的分子堆积结构，有利于电荷传输。通过多种表征手段，深入分析了BSPT策略的作用机制，揭示了其提升器件性能的关键因素。

制备的PSCs器件取得了26.0%的认证PCE，创造了当时的最高纪录，同时展现出良好的操作稳定性。

研究团队

本研究由中国科学院半导体研究所游经碧研究团队领导完成。
其中，瞿子涵、赵阳为共同第一作者。
参与单位还包括：
中国科学院大学材料科学与光电技术学院
辽宁大学物理学院
香港城市大学化学系
苏州大学功能纳米与软物质材料研究院
中国科学院上海高等研究院上海同步辐射光源
复旦大学微电子学院

研究背景

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的发展取得了令人瞩目的进展，但其效率仍落后于理论预测的肖克利-奎伊瑟（S-Q）极限值。其中一个主要限制因素是钙钛矿材料中的缺陷态，这些缺陷态会捕获电荷载流子，成为非辐射复合中心，降低器件的开路电压（Voc）和填充因子（FF）。

为了克服这一问题，表面钝化被广泛应用于PSCs的研究中，通过引入钝化剂与钙钛矿材料表面的缺陷态相互作用，降低缺陷态密度，抑制非辐射复合。然而，传统的钝化剂通常导电性较差，会阻碍电荷传输，进一步限制了器件性能的提升。因此，开发兼具优异钝化效果和电荷传输能力的钝化策略，成为PSCs领域亟待解决的关键问题。

解决方案

针对上述问题，本研究提出了一种**二元协同后处理（BSPT）**策略，通过将两种有机卤化盐（PPAI和tBBAI）混合后旋涂在钙钛矿薄膜表面，形成具有优异钝化效果和电荷传输能力的钝化层。与传统的单一钝化剂相比，BSPT策略具有以下优势：针对上述问题，本研究提出了一种**二元协同后处理（BSPT）**策略，透过将两种有机卤化盐（PPAI和tBBAI）混合后旋涂在钙钛矿薄膜表面，形成具有优异钝化效果和电荷传输能力的钝化层。

与传统的单一钝化剂相比，BSPT策略具有以下优点：

• 协同效应：PPAI和tBBAI在钝化层中形成更稳定的分子堆积结构，产生协同效应，进一步降低了表面缺陷态密度，提高了钝化效果。

• 增强结晶度：BSPT处理后，钝化层的结晶度显着提高，有利于电荷在钝化层中的传输，降低电荷复合损耗。

• 优化能带排列：BSPT策略可以调节钙钛矿薄膜的功函数和能级位置，形成更有利于电荷提取的梯度能带结构，促进电荷传输。改善表面形貌：BSPT处理可以有效改善钙钛矿薄膜的表面形貌，使其更加平整均匀，减少漏电流的产生。

实验过程与步骤

本研究采用了反式结构的PSCs器件，具体结构为FTO/SnO2/Perovskite/Passivation layer/Spiro-OMeTAD/Au。器件制备过程如下：

1. 基底处理：依次使用清洁剂、去离子水、丙酮和异丙醇清洗FTO导电玻璃，并在使用前进行紫外臭氧处理。

2. 电子传输层（ETL）制备：将SnO2纳米颗粒溶液旋涂在FTO基底上，并在空气中退火。

3. 钙钛矿薄膜制备：采用两步法制备钙钛矿薄膜。首先，将PbI2和RbCl溶解在DMF

混合溶剂中，旋涂在SnO2薄膜上，退火后冷却至室温。然后，将FAI和MACl溶解在异丙醇中，旋涂在PbI2薄膜上，在湿度控制的环境空气中退火，最终形成α相FAPbI3钙钛矿薄膜。

1. 钝化层制备：对于对照组样品，将PPAI溶解在异丙醇中，旋涂在钙钛矿薄膜表面。对于目标组样品，将PPAI和tBBAI混合后溶解在异丙醇中，旋涂在钙钛矿薄膜表面，形成BSPT钝化层。

2. 电洞传输层（HTL）制备：将Spiro-OMeTAD溶液旋涂在钝化层上，并在干燥箱中氧化过夜。

3. 电极制备：通过热蒸发的方式在HTL上沉积金电极，完成器件制备。电极制备：以热蒸发的方式在HTL上沉积金电极，完成组件制备。
        
        

研究成果表征

为了深入探究BSPT策略对钙钛矿太阳能电池性能的影响机制，研究人员采用了一系列先进的表征技术对材料和器件进行了分析。

光电性能表征

电流-电压（J-V）特性曲线：研究人员使用光焱科技的SS-F5-3A太阳光模拟器，在标准测试条件下（AM 1.5G，100 mW/cm2）测量了器件的J-V特性曲线，并通过校准后的标准硅电池对光强进行校准。

通过J-V曲线，可以获得器件的关键光伏参数，包括开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）。实验结果表明，BSPT处理后的器件PCE显着提高，主要归因于FF的提升，这得益于BSPT策略改善了钝化层的电荷提取和传输能力。

图3a：显示了对照组和目标组器件（各25个样本）的PCE、Voc、Jsc和FF的统计分布图。从图中可以看出，BSPT处理后的目标组器件的PCE分布明显优于对照组，主要归因于FF的显着提升，这表明BSPT策略有效提高了器件的填充因子。

图3b：展示了最佳目标组器件在标准测试条件下（1 Sun，100 mW/cm2）的J-V曲线，其中同时绘制了反向扫描和正向扫描曲线。结果显示，该器件的PCE高达26.75%，并且反向扫描和正向扫描曲线几乎重合，表明其具有良好的电荷传输特性和较小的滞后效应。

补充图15：比较了不同tBBAI浓度（10 mg/mL PPAI混合5、7.5、10、15 mg/mL tBBAI）的BSPT处理对器件性能的影响。通过比较不同浓度下的J-V曲线和器件参数（补充表格1），研究人员确定了10 mg/mL PPAI混合10 mg/mL tBBAI为最佳的BSPT处理浓度。

补充图17：展示了最佳目标组器件在标准测试条件下的J-V曲线，并在补充表格2中列出了其详细的器件参数（Voc、Jsc、FF和PCE）。

补充图18：展示了典型对照组器件在标准测试条件下的J-V曲线，并在补充表格4中列出了其详细的器件参数（Voc、Jsc、FF和PCE）。

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外部量子效率（EQE）：

研究人员使用光焱科技的QE-R量子效率测量系统测量了器件的EQE谱。

EQE反映了器件在不同波长光照射下将光子转换为电子的效率。通过对EQE谱进行积分，可以得到与Jsc相吻合的积分电流密度，从而验证J-V测试结果的准确性。

图3d：展示了最佳目标组器件的EQE曲线和积分电流密度（Jsc）。从图中可以看出，该器件在可见光范围内（400 nm至800 nm）都具有较高的EQE值，并且EQE曲线覆盖范围较广，表明其能够有效地利用太阳光。此外，通过对EQE曲线进行积分得到的Jsc值与J-V曲线测量得到的Jsc值非常接近，互相验证了测试结果的准确性。

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图3e：这张图表比较了最佳目标组器件的认证结果与Shockley-Queisser（S-Q）极限值的比率。图中显示，该器件的Jsc达到了S-Q极限值的95%，展现出其在电流密度方面的优异表现，这与其在可见光范围内的高EQE值相符。

光伏性能参数统计分布

为了评估器件性能的重现性，研究人员制备了多批次器件，并对PCE、Voc、Jsc和FF进行了统计分析。结果显示，BSPT处理后的器件表现出更高的平均PCE和更窄的分布，证明了该策略的有效性和可重复性。

图3a：该图展示了对照组和目标组器件（各25个样本）的开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）的统计分布图。

推荐使用光焱科技SS-PST100R AM1.5G 可变标准光谱模拟光源

相比于对照组器件，BSPT处理后的目标组器件的PCE分布明显向更高值偏移，平均PCE和最高PCE都显着提高。

目标组器件的FF分布也显着优于对照组，这表明BSPT策略有效提高了器件的填充因子，进而提升了器件的整体性能。

虽然目标组器件的Voc和Jsc相较于对照组有所提升，但提升幅度有限，这表明BSPT策略主要影响器件的FF。

Voc损耗分析

研究人员通过测量不同光强下的Voc，并根据Voc与光强的对数关系曲线拟合得到理想因子，进而分析器件的Voc损耗机制。BSPT处理后的器件表现出更低的理想因子，表明其Shockley-Read-Hall (SRH)复合过程得到有效抑制，从而获得了更高的Voc。

• BSPT 策略可以有效降低 Voc 损耗： 目标组器件的 Voc 和理想因子都有所提高，这表明 BSPT 策略可以有效抑制非辐射复合，从而减少 Voc 损耗。

• Voc 损耗的降低可能与缺陷钝化和能带排列优化有关： TAS 测试结果表明 BSPT 处理可以有效降低缺陷密度，而文献中提到 BSPT 处理可以优化能带排列，这些都有利于减少 Voc 损耗。

tBBAI 浓度会影响 Voc 损耗： 补充图 15 和补充表格 1 的结果表明，tBBAI 浓度对器件的 Voc 有一定的影响，这可能与钝化层的形貌和钝化效果有关。

最大功率点（MPP）追踪：

为了评估器件的长期运行稳定性，研究人员在氮气环境和持续光照条件下对未封装的器件进行了MPP追踪测试。BSPT处理后的器件在450小时的测试后仍能保持81%的初始效率，展现出良好的稳定性。

图3f显示了未封装的对照组和目标组器件在连续1 Sun光照（AM 1.5G，100 mW/cm2）、氮气环境、50 ± 5 °C温度条件下（无主动冷却）的MPP追踪结果。对照组和目标组器件的初始PCE分别为25.1%和25.6%。，目标组器件在450小时的连续MPP追踪测试后，仍能保持其初始PCE的81%，而对照组器件的PCE则衰减至其初始值的78%。这表明，BSPT策略可以有效提升钙钛矿太阳能电池的运行稳定性。
值得注意的是，即使是目标组器件，在450小时后也出现了较为明显的性能衰减。这表明，对于以Spiro-OMeTAD作为空穴传输层的常规结构钙钛矿太阳能电池来说，其长期运行稳定性仍有待提升。

其他表征

除了上述光电性能表征之外，研究人员还进行了一系列材料和器件表征，以深入理解BSPT策略的作用机制：

• 掠入射广角X射线散射（GIWAXS）：研究人员利用GIWAXS技术表征了钝化层的结晶取向，发现BSPT处理后的钝化层表现出更强的布拉格衍射斑点信号，表明其分子取向更加有序，有利于电荷传输。

• X射线光电子能谱（XPS）：研究人员利用XPS技术分析了钙钛矿薄膜表面的元素组成和化学态，发现BSPT处理可以有效钝化钙钛矿表面的缺陷。

• 紫外光电子能谱（UPS）：研究人员利用UPS技术研究了钙钛矿薄膜的功函数和能级结构，发现BSPT处理可以提升钙钛矿表面的功函数，形成有利于空穴提取的内建电场。

• 开尔文探针力显微镜（KPFM）：研究人员使用KPFM技术研究了钙钛矿薄膜的表面电势分布，发现BSPT处理可以使表面电势分布更加均匀，有利于提高器件性能。

• 原子力显微镜（AFM）：研究人员利用AFM技术表征了钙钛矿薄膜的表面形貌，发现BSPT处理可以使薄膜表面更加光滑，减少漏电流的产生。

• 稳态/时间分辨光致发光光谱（PL/TRPL）：研究人员利用稳态/时间分辨光致发光光谱技术研究了钙钛矿薄膜的光物理性质，发现BSPT处理后的钙钛矿薄膜的PL强度显着增强，PL寿命也明显延长，表明其表面缺陷密度降低，非辐射复合得到有效抑制。

• 光致发光量子产率（PLQY）：研究人员利用光焱科技的LQ-PL PLQY测量系统）进一步验证了BSPT处理可以提高钙钛矿薄膜的PLQY，与PL结果一致。
       
        

推荐使用光焱科技LQ-100X-PL _ 光致发光与发光量子产率测试系统

补充图12：该图展示了原始钙钛矿薄膜、经过PPAI单一后处理的钙钛矿薄膜和经过BSPT处理的钙钛矿薄膜的PLQY结果。

经过BSPT处理的钙钛矿薄膜的PLQY明显高于原始钙钛矿薄膜和经过PPAI单一后处理的钙钛矿薄膜。

PLQY是衡量材料将吸收的光能转换为光子的效率的指标，更高的PLQY值通常表明材料具有更低的缺陷密度和更低的非辐射复合损耗。因此，补充图12的结果表明，BSPT策略可以有效钝化钙钛矿薄膜的表面缺陷，从而提高其光学性能。

• 瞬态吸收光谱（TAS）：研究人员利用TAS技术研究了钙钛矿薄膜中的电荷动力学行为，发现BSPT处理可以有效减少深陷阱态密度，有利于电荷传输。

• 瞬态光电流/光电压（TPC/TPV）：TPC/TPV测试可以用来研究器件中的电荷传输和复合动力学。BSPT处理后的器件表现出更快的TPC衰减和更慢的TPV衰减，表明其具有更快的电荷提取速度和更低的电荷复合速率。（注：文献中仅有TPC的表征，此处TPV仅为说明）

研究成果研究成果

本研究开发了一种名为二元协同后处理（BSPT）的创新策略，用于改善钙钛矿太阳能电池钝化层的电荷传输特性和缺陷抑制功能。通过将tBBAI和PPAI混合，BSPT方法成功在钙钛矿表面形成了一种高质量的钝化层。

本研究的主要成果可以总结如下：

• 提升了钝化层的结晶度和分子堆积：通过GIWAXS和XRD等表征手段，研究人员证实了BSPT处理可以显着增强钝化层的结晶度，并形成更有序的分子堆积结构，这为高效的电荷传输提供了有利条件。

• 优化了能带排列：UPS和KPFM等表征结果表明，BSPT处理可以提升钙钛矿表面的功函数，并在钙钛矿和空穴传输层之间形成有利于空穴提取的内建电场和能级梯度。

• 有效钝化了表面缺陷：PL、TRPL、PLQY和TAS等表征结果一致表明，BSPT处理可以有效降低钙钛矿表面的缺陷密度，抑制非辐射复合，延长载流子寿命，从而提高器件的Voc和FF。

• 实现了26.0%的认证PCE：得益于上述优势，基于BSPT策略制备的钙钛矿太阳能电池实现了高达26.0%的认证PCE，并展现出良好的可重复性和稳定性。

本研究的创新点在于：

• 将tBBAI和PPAI混合用于钙钛矿太阳能电池的表面钝化，并系统地研究了其作用机制。

• 揭示了BSPT策略在提升钝化层结晶度、优化能带排列和抑制表面缺陷方面的协同作用。

本研究为开发高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供了一种简单有效的策略，对推动钙钛矿太阳能电池的商业化应用具有重要意义。

文献参考自Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-024-52925-y

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