本研究發(fā)表于《Nature Communications》期刊，題為《增強(qiáng)電荷載流子傳輸和缺陷鈍化的鈍化層，用于高效鈣鈦礦太陽能電池》。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新的二元協(xié)同后處理（BSPT）策略，通過混合4-tBBAI和苯丙基碘化銨（PPAI），并旋涂于鈣鈦礦表面，形成高質(zhì)量鈍化層，有效解決了傳統(tǒng)鈍化方法中電荷傳輸受阻的瓶頸。該策略成功制備出經(jīng)過認(rèn)證的正式（n-i-p）平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池（PSC），實(shí)現(xiàn)了高達(dá)26.0%的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），并展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在連續(xù)最大功率點(diǎn)追蹤450小時后仍能保持81%的初始效率。
研究成就與亮點(diǎn)
本研究最主要的成就在于研發(fā)了一種新型二元有機(jī)鹵化鹽體系，用于對摻雜RbCl的FAPbI3鈣鈦礦薄膜進(jìn)行二元協(xié)同后處理（BSPT），從而制備出高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）。該方法有效提升了鈍化層的電荷傳輸性能和缺陷鈍化功能，最終獲得了26.0%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），并展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
本研究的關(guān)鍵亮點(diǎn)包括：
提出了一種全新的BSPT策略，將tBBAI與苯丙基碘化銨（PPAI）混合，通過旋涂的方式在鈣鈦礦表面形成鈍化層。
與單一鈍化劑相比，BSPT策略不僅能進(jìn)一步抑制表面缺陷，還顯著增強(qiáng)了鈍化層的結(jié)晶度，并形成了更有序的分子堆積結(jié)構(gòu)，有利于電荷傳輸。通過多種表征手段，深入分析了BSPT策略的作用機(jī)制，揭示了其提升器件性能的關(guān)鍵因素。
制備的PSCs器件取得了26.0%的認(rèn)證PCE，創(chuàng)造了當(dāng)時的最高紀(jì)錄，同時展現(xiàn)出良好的操作穩(wěn)定性。
研究團(tuán)隊(duì)
本研究由中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)完成。
其中，瞿子涵、趙陽為共同第一作者。
參與單位還包括：
中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院
遼寧大學(xué)物理學(xué)院
香港城市大學(xué)化學(xué)系
蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)材料研究院
中國科學(xué)院上海高等研究院上海同步輻射光源
復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院
研究背景
近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的發(fā)展取得了令人矚目的進(jìn)展，但其效率仍落后于理論預(yù)測的肖克利-奎伊瑟（S-Q）極限值。其中一個主要限制因素是鈣鈦礦材料中的缺陷態(tài)，這些缺陷態(tài)會捕獲電荷載流子，成為非輻射復(fù)合中心，降低器件的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。
為了克服這一問題，表面鈍化被廣泛應(yīng)用于PSCs的研究中，通過引入鈍化劑與鈣鈦礦材料表面的缺陷態(tài)相互作用，降低缺陷態(tài)密度，抑制非輻射復(fù)合。然而，傳統(tǒng)的鈍化劑通常導(dǎo)電性較差，會阻礙電荷傳輸，進(jìn)一步限制了器件性能的提升。因此，開發(fā)兼具優(yōu)異鈍化效果和電荷傳輸能力的鈍化策略，成為PSCs領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。
解決方案
針對上述問題，本研究提出了一種**二元協(xié)同后處理（BSPT）**策略，通過將兩種有機(jī)鹵化鹽（PPAI和tBBAI）混合后旋涂在鈣鈦礦薄膜表面，形成具有優(yōu)異鈍化效果和電荷傳輸能力的鈍化層。與傳統(tǒng)的單一鈍化劑相比，BSPT策略具有以下優(yōu)勢：針對上述問題，本研究提出了一種**二元協(xié)同后處理（BSPT）**策略，透過將兩種有機(jī)鹵化鹽（PPAI和tBBAI）混合后旋涂在鈣鈦礦薄膜表面，形成具有優(yōu)異鈍化效果和電荷傳輸能力的鈍化層。
與傳統(tǒng)的單一鈍化劑相比，BSPT策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：
協(xié)同效應(yīng)：PPAI和tBBAI在鈍化層中形成更穩(wěn)定的分子堆積結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步降低了表面缺陷態(tài)密度，提高了鈍化效果。
增強(qiáng)結(jié)晶度：BSPT處理后，鈍化層的結(jié)晶度顯著提高，有利于電荷在鈍化層中的傳輸，降低電荷復(fù)合損耗。
優(yōu)化能帶排列：BSPT策略可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的功函數(shù)和能級位置，形成更有利于電荷提取的梯度能帶結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電荷傳輸。改善表面形貌：BSPT處理可以有效改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌，使其更加平整均勻，減少漏電流的產(chǎn)生。
實(shí)驗(yàn)過程與步驟
本研究采用了反式結(jié)構(gòu)的PSCs器件，具體結(jié)構(gòu)為FTO/SnO2/Perovskite/Passivation layer/Spiro-OMeTAD/Au。器件制備過程如下：
基底處理：依次使用清潔劑、去離子水、丙酮和異丙醇清洗FTO導(dǎo)電玻璃，并在使用前進(jìn)行紫外臭氧處理。
電子傳輸層（ETL）制備：將SnO2納米顆粒溶液旋涂在FTO基底上，并在空氣中退火。
鈣鈦礦薄膜制備：采用兩步法制備鈣鈦礦薄膜。首先，將PbI2和RbCl溶解在DMF
混合溶劑中，旋涂在SnO2薄膜上，退火后冷卻至室溫。然后，將FAI和MACl溶解在異丙醇中，旋涂在PbI2薄膜上，在濕度控制的環(huán)境空氣中退火，最終形成α相FAPbI3鈣鈦礦薄膜。
鈍化層制備：對于對照組樣品，將PPAI溶解在異丙醇中，旋涂在鈣鈦礦薄膜表面。對于目標(biāo)組樣品，將PPAI和tBBAI混合后溶解在異丙醇中，旋涂在鈣鈦礦薄膜表面，形成BSPT鈍化層。
電洞傳輸層（HTL）制備：將Spiro-OMeTAD溶液旋涂在鈍化層上，并在干燥箱中氧化過夜。
電極制備：通過熱蒸發(fā)的方式在HTL上沉積金電極，完成器件制備。電極制備：以熱蒸發(fā)的方式在HTL上沉積金電極，完成組件制備。
研究成果表征
為了深入探究BSPT策略對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響機(jī)制，研究人員采用了一系列先進(jìn)的表征技術(shù)對材料和器件進(jìn)行了分析。
光電性能表征
電流-電壓（J-V）特性曲線：研究人員使用光焱科技的SS-F5-3A太陽光模擬器，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（AM 1.5G，100 mW/cm2）測量了器件的J-V特性曲線，并通過校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)硅電池對光強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)。
通過J-V曲線，可以獲得器件的關(guān)鍵光伏參數(shù)，包括開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BSPT處理后的器件PCE顯著提高，主要?dú)w因于FF的提升，這得益于BSPT策略改善了鈍化層的電荷提取和傳輸能力。
圖3a：顯示了對照組和目標(biāo)組器件（各25個樣本）的PCE、Voc、Jsc和FF的統(tǒng)計(jì)分布圖。從圖中可以看出，BSPT處理后的目標(biāo)組器件的PCE分布明顯優(yōu)于對照組，主要?dú)w因于FF的顯著提升，這表明BSPT策略有效提高了器件的填充因子。
圖3b：展示了最佳目標(biāo)組器件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（1 Sun，100 mW/cm2）的J-V曲線，其中同時繪制了反向掃描和正向掃描曲線。結(jié)果顯示，該器件的PCE高達(dá)26.75%，并且反向掃描和正向掃描曲線幾乎重合，表明其具有良好的電荷傳輸特性和較小的滯后效應(yīng)。
補(bǔ)充圖15：比較了不同tBBAI濃度（10 mg/mL PPAI混合5、7.5、10、15 mg/mL tBBAI）的BSPT處理對器件性能的影響。通過比較不同濃度下的J-V曲線和器件參數(shù)（補(bǔ)充表格1），研究人員確定了10 mg/mL PPAI混合10 mg/mL tBBAI為最佳的BSPT處理濃度。
補(bǔ)充圖17：展示了最佳目標(biāo)組器件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的J-V曲線，并在補(bǔ)充表格2中列出了其詳細(xì)的器件參數(shù)（Voc、Jsc、FF和PCE）。
補(bǔ)充圖18：展示了典型對照組器件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的J-V曲線，并在補(bǔ)充表格4中列出了其詳細(xì)的器件參數(shù)（Voc、Jsc、FF和PCE）。
推薦使用光焱科技REPS 鈣鈦礦與有機(jī)光伏Voc損耗分析系統(tǒng)
外部量子效率（EQE）：
研究人員使用光焱科技的QE-R量子效率測量系統(tǒng)測量了器件的EQE譜。
EQE反映了器件在不同波長光照射下將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率。通過對EQE譜進(jìn)行積分，可以得到與Jsc相吻合的積分電流密度，從而驗(yàn)證J-V測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖3d：展示了最佳目標(biāo)組器件的EQE曲線和積分電流密度（Jsc）。從圖中可以看出，該器件在可見光范圍內(nèi)（400 nm至800 nm）都具有較高的EQE值，并且EQE曲線覆蓋范圍較廣，表明其能夠有效地利用太陽光。此外，通過對EQE曲線進(jìn)行積分得到的Jsc值與J-V曲線測量得到的Jsc值非常接近，互相驗(yàn)證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
推薦使用光焱科技QE-R _ PV/太陽能電池量子效率測量系統(tǒng)
圖3e：這張圖表比較了最佳目標(biāo)組器件的認(rèn)證結(jié)果與Shockley-Queisser（S-Q）極限值的比率。圖中顯示，該器件的Jsc達(dá)到了S-Q極限值的95%，展現(xiàn)出其在電流密度方面的優(yōu)異表現(xiàn)，這與其在可見光范圍內(nèi)的高EQE值相符。
光伏性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布
為了評估器件性能的重現(xiàn)性，研究人員制備了多批次器件，并對PCE、Voc、Jsc和FF進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示，BSPT處理后的器件表現(xiàn)出更高的平均PCE和更窄的分布，證明了該策略的有效性和可重復(fù)性。
圖3a：該圖展示了對照組和目標(biāo)組器件（各25個樣本）的開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）的統(tǒng)計(jì)分布圖。
推薦使用光焱科技SS-PST100R AM1.5G 可變標(biāo)準(zhǔn)光譜模擬光源
相比于對照組器件，BSPT處理后的目標(biāo)組器件的PCE分布明顯向更高值偏移，平均PCE和最高PCE都顯著提高。
目標(biāo)組器件的FF分布也顯著優(yōu)于對照組，這表明BSPT策略有效提高了器件的填充因子，進(jìn)而提升了器件的整體性能。
雖然目標(biāo)組器件的Voc和Jsc相較于對照組有所提升，但提升幅度有限，這表明BSPT策略主要影響器件的FF。
Voc損耗分析
研究人員通過測量不同光強(qiáng)下的Voc，并根據(jù)Voc與光強(qiáng)的對數(shù)關(guān)系曲線擬合得到理想因子，進(jìn)而分析器件的Voc損耗機(jī)制。BSPT處理后的器件表現(xiàn)出更低的理想因子，表明其Shockley-Read-Hall (SRH)復(fù)合過程得到有效抑制，從而獲得了更高的Voc。
BSPT 策略可以有效降低 Voc 損耗： 目標(biāo)組器件的 Voc 和理想因子都有所提高，這表明 BSPT 策略可以有效抑制非輻射復(fù)合，從而減少 Voc 損耗。
Voc 損耗的降低可能與缺陷鈍化和能帶排列優(yōu)化有關(guān)： TAS 測試結(jié)果表明 BSPT 處理可以有效降低缺陷密度，而文獻(xiàn)中提到 BSPT 處理可以優(yōu)化能帶排列，這些都有利于減少 Voc 損耗。
tBBAI 濃度會影響 Voc 損耗： 補(bǔ)充圖 15 和補(bǔ)充表格 1 的結(jié)果表明，tBBAI 濃度對器件的 Voc 有一定的影響，這可能與鈍化層的形貌和鈍化效果有關(guān)。
最大功率點(diǎn)（MPP）追蹤：
為了評估器件的長期運(yùn)行穩(wěn)定性，研究人員在氮?dú)猸h(huán)境和持續(xù)光照條件下對未封裝的器件進(jìn)行了MPP追蹤測試。BSPT處理后的器件在450小時的測試后仍能保持81%的初始效率，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。
圖3f顯示了未封裝的對照組和目標(biāo)組器件在連續(xù)1 Sun光照（AM 1.5G，100 mW/cm2）、氮?dú)猸h(huán)境、50 ± 5 °C溫度條件下（無主動冷卻）的MPP追蹤結(jié)果。對照組和目標(biāo)組器件的初始PCE分別為25.1%和25.6%。，目標(biāo)組器件在450小時的連續(xù)MPP追蹤測試后，仍能保持其初始PCE的81%，而對照組器件的PCE則衰減至其初始值的78%。這表明，BSPT策略可以有效提升鈣鈦礦太陽能電池的運(yùn)行穩(wěn)定性。
值得注意的是，即使是目標(biāo)組器件，在450小時后也出現(xiàn)了較為明顯的性能衰減。這表明，對于以Spiro-OMeTAD作為空穴傳輸層的常規(guī)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池來說，其長期運(yùn)行穩(wěn)定性仍有待提升。
其他表征
除了上述光電性能表征之外，研究人員還進(jìn)行了一系列材料和器件表征，以深入理解BSPT策略的作用機(jī)制：
掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）：研究人員利用GIWAXS技術(shù)表征了鈍化層的結(jié)晶取向，發(fā)現(xiàn)BSPT處理后的鈍化層表現(xiàn)出更強(qiáng)的布拉格衍射斑點(diǎn)信號，表明其分子取向更加有序，有利于電荷傳輸。
X射線光電子能譜（XPS）：研究人員利用XPS技術(shù)分析了鈣鈦礦薄膜表面的元素組成和化學(xué)態(tài)，發(fā)現(xiàn)BSPT處理可以有效鈍化鈣鈦礦表面的缺陷。
紫外光電子能譜（UPS）：研究人員利用UPS技術(shù)研究了鈣鈦礦薄膜的功函數(shù)和能級結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)BSPT處理可以提升鈣鈦礦表面的功函數(shù)，形成有利于空穴提取的內(nèi)建電場。
開爾文探針力顯微鏡（KPFM）：研究人員使用KPFM技術(shù)研究了鈣鈦礦薄膜的表面電勢分布，發(fā)現(xiàn)BSPT處理可以使表面電勢分布更加均勻，有利于提高器件性能。
原子力顯微鏡（AFM）：研究人員利用AFM技術(shù)表征了鈣鈦礦薄膜的表面形貌，發(fā)現(xiàn)BSPT處理可以使薄膜表面更加光滑，減少漏電流的產(chǎn)生。
穩(wěn)態(tài)/時間分辨光致發(fā)光光譜（PL/TRPL）：研究人員利用穩(wěn)態(tài)/時間分辨光致發(fā)光光譜技術(shù)研究了鈣鈦礦薄膜的光物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)BSPT處理后的鈣鈦礦薄膜的PL強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，PL壽命也明顯延長，表明其表面缺陷密度降低，非輻射復(fù)合得到有效抑制。
光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）：研究人員利用光焱科技的LQ-PL PLQY測量系統(tǒng)）進(jìn)一步驗(yàn)證了BSPT處理可以提高鈣鈦礦薄膜的PLQY，與PL結(jié)果一致。
推薦使用光焱科技LQ-100X-PL _ 光致發(fā)光與發(fā)光量子產(chǎn)率測試系統(tǒng)
補(bǔ)充圖12：該圖展示了原始鈣鈦礦薄膜、經(jīng)過PPAI單一后處理的鈣鈦礦薄膜和經(jīng)過BSPT處理的鈣鈦礦薄膜的PLQY結(jié)果。
經(jīng)過BSPT處理的鈣鈦礦薄膜的PLQY明顯高于原始鈣鈦礦薄膜和經(jīng)過PPAI單一后處理的鈣鈦礦薄膜。
PLQY是衡量材料將吸收的光能轉(zhuǎn)換為光子的效率的指標(biāo)，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輻射復(fù)合損耗。因此，補(bǔ)充圖12的結(jié)果表明，BSPT策略可以有效鈍化鈣鈦礦薄膜的表面缺陷，從而提高其光學(xué)性能。
瞬態(tài)吸收光譜（TAS）：研究人員利用TAS技術(shù)研究了鈣鈦礦薄膜中的電荷動力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)BSPT處理可以有效減少深陷阱態(tài)密度，有利于電荷傳輸。
瞬態(tài)光電流/光電壓（TPC/TPV）：TPC/TPV測試可以用來研究器件中的電荷傳輸和復(fù)合動力學(xué)。BSPT處理后的器件表現(xiàn)出更快的TPC衰減和更慢的TPV衰減，表明其具有更快的電荷提取速度和更低的電荷復(fù)合速率。（注：文獻(xiàn)中僅有TPC的表征，此處TPV僅為說明）
研究成果研究成果
本研究開發(fā)了一種名為二元協(xié)同后處理（BSPT）的創(chuàng)新策略，用于改善鈣鈦礦太陽能電池鈍化層的電荷傳輸特性和缺陷抑制功能。通過將tBBAI和PPAI混合，BSPT方法成功在鈣鈦礦表面形成了一種高質(zhì)量的鈍化層。
本研究的主要成果可以總結(jié)如下：
提升了鈍化層的結(jié)晶度和分子堆積：通過GIWAXS和XRD等表征手段，研究人員證實(shí)了BSPT處理可以顯著增強(qiáng)鈍化層的結(jié)晶度，并形成更有序的分子堆積結(jié)構(gòu)，這為高效的電荷傳輸提供了有利條件。
優(yōu)化了能帶排列：UPS和KPFM等表征結(jié)果表明，BSPT處理可以提升鈣鈦礦表面的功函數(shù)，并在鈣鈦礦和空穴傳輸層之間形成有利于空穴提取的內(nèi)建電場和能級梯度。
有效鈍化了表面缺陷：PL、TRPL、PLQY和TAS等表征結(jié)果一致表明，BSPT處理可以有效降低鈣鈦礦表面的缺陷密度，抑制非輻射復(fù)合，延長載流子壽命，從而提高器件的Voc和FF。
實(shí)現(xiàn)了26.0%的認(rèn)證PCE：得益于上述優(yōu)勢，基于BSPT策略制備的鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)26.0%的認(rèn)證PCE，并展現(xiàn)出良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。
本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于：
將tBBAI和PPAI混合用于鈣鈦礦太陽能電池的表面鈍化，并系統(tǒng)地研究了其作用機(jī)制。
揭示了BSPT策略在提升鈍化層結(jié)晶度、優(yōu)化能帶排列和抑制表面缺陷方面的協(xié)同作用。
本研究為開發(fā)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池提供了一種簡單有效的策略，對推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。
文獻(xiàn)參考自Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-024-52925-y
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