論文概覽

鈣鈦礦太陽能電池中的表面鈍化可以提高器件效率，但不完全的界面功能化會(huì)影響長(zhǎng)期可靠性。本文提出了一種戰(zhàn)略性界面工程方法，使用七氟丁酸鈉完全功能化鈣鈦礦表面。七氟丁酸鈉作為離子屏蔽劑，調(diào)節(jié)鈣鈦礦表面的功函數(shù)，并增加缺陷形成能，從而改善與電子傳輸層的界面，減少?gòu)?fù)合并增強(qiáng)操作中的電子提取。我們發(fā)現(xiàn)，七氟丁酸鈉功能化的鈣鈦礦表面促進(jìn)了均勻致密的C60層的形成，有效阻止離子擴(kuò)散并穩(wěn)定器件堆棧。該方法使得p–i–n結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)為27.02%(認(rèn)證為26.96%，最大功率點(diǎn)跟蹤PCE為26.61%)。在1 cm2的有效面積下，器件的PCE為25.95%。鈣鈦礦太陽能電池在連續(xù)1.200小時(shí)的1太陽照射下保持了100%的初始效率。器件還表現(xiàn)出卓越的熱穩(wěn)定性，在85 °C下老化1.800小時(shí)后，保持了92%的初始PCE，并在–40 °C至+85 °C之間進(jìn)行200次熱循環(huán)后保持了94%的初始PCE。

技術(shù)亮點(diǎn)

改進(jìn)的鈣鈦礦表面鈍化：使用七氟丁酸鈉(SHF)有效鈍化了鈣鈦礦表面的缺陷，增強(qiáng)了表面穩(wěn)定性。SHF處理提高了缺陷形成能，減少了非光活性相，并調(diào)節(jié)了表面功函數(shù)，改善了與電子傳輸層的界面，提升了電荷提取能力。

器件性能提升：SHF處理的鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)為27.02%，認(rèn)證PCE為26.96%。這些器件展現(xiàn)出優(yōu)越的操作穩(wěn)定性，在連續(xù)1.200小時(shí)的1太陽照射下保持了100%的初始效率，并且在85°C下老化1.800小時(shí)后，保持了92%的初始PCE，表現(xiàn)出卓越的熱穩(wěn)定性。

抑制離子遷移：SHF處理顯著減少了離子遷移，防止了器件內(nèi)部的離子擴(kuò)散，這對(duì)于維持器件穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)數(shù)據(jù)表明，與對(duì)照組相比，SHF處理的器件離子擴(kuò)散顯著減少，從而增強(qiáng)了它們的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

深度解析

SHF功能化鈣鈦礦表面

為了改善鈣鈦礦的表面電子性能，我們通過DFT計(jì)算研究了鈣鈦礦的缺陷特性。計(jì)算結(jié)果顯示，PbI終止表面的Pb空位比I空位更容易形成，這表明PbI終止表面不穩(wěn)定，而FAI終止表面較為穩(wěn)定。為了增強(qiáng)表面穩(wěn)定性，我們使用七氟丁酸鈉(SHF)對(duì)鈣鈦礦表面進(jìn)行功能化處理。計(jì)算表明，SHF的吸附能顯著提高，增強(qiáng)了表面穩(wěn)定性。SHF分子在鈣鈦礦表面吸附時(shí)，Na+和COO?基團(tuán)產(chǎn)生局部電荷，通過靜電相互作用形成偶極，改變了表面的功函數(shù)，驗(yàn)證了偶極效應(yīng)。SHF處理增強(qiáng)了鈣鈦礦與電子傳輸層(ETL)之間的界面電場(chǎng)，提高了PSC的內(nèi)建電勢(shì)，從而促進(jìn)了電荷提取和開路電壓(Voc)的提高。X射線衍射(XRD)和小角度入射X射線散射(GIWAXS)表明，SHF處理有助于鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，特別是去除了4H相并改善了表面結(jié)構(gòu)。

界面接觸的結(jié)構(gòu)與光電性能

ESC(電子傳輸層)覆蓋鈣鈦礦表面，其結(jié)構(gòu)受鈣鈦礦層影響，進(jìn)而影響器件性能。SEM和AFM圖像顯示，SHF處理后的鈣鈦礦表面改善了與ESC的界面接觸。接著，我們研究了C60層厚度對(duì)ESC結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。SHF處理后的器件中，電子能級(jí)對(duì)齊明顯改善，二次電子截止區(qū)域的坡度減小，表明SHF處理提高了鈣鈦礦表面均勻性，促進(jìn)了C60的更好沉積。C60層的堆積特性通過AFM研究發(fā)現(xiàn)，SHF處理的鈣鈦礦表面上沉積的C60層更致密，而控制組表面有明顯的孔隙。SHF層通過降低表面能，促進(jìn)了C60的均勻沉積。隨著C60厚度減小到2納米，SHF處理組和控制組之間的差異更加明顯，表明薄C60層與底層鈣鈦礦表面的直接接觸效果。最終，C60形成了一個(gè)相互連接的凝聚層。

載流子動(dòng)力學(xué)與光伏性能

通過穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光(PL)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)SHF處理顯著提高了PL強(qiáng)度，減少了非輻射復(fù)合，PL量子產(chǎn)率提高了兩倍以上，證明SHF有效增強(qiáng)了鈍化作用。SHF處理的器件(鈣鈦礦/SHF/C60)保持較高的PL量子產(chǎn)率，表明界面損失減少，光電性能提升。瞬態(tài)表面光電壓(trSPV)測(cè)量表明，SHF處理的鈣鈦礦表現(xiàn)出負(fù)的trSPV信號(hào)，電子在ESC側(cè)占主導(dǎo)，電荷分離效率提高，電子提取大幅提升。SHF處理的PSCs光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)為27.02%，相比未處理器件(PCE為24.81%)大幅提高。SHF處理的器件具有較高的開路電壓(Voc)1.197 V和填充因子(FF)86.17%，顯示出顯著的性能提升。

器件穩(wěn)定性

根據(jù)ISOS-L-1I協(xié)議，SHF處理的器件在連續(xù)1200小時(shí)的1太陽照射下保持了穩(wěn)定的功率輸出，沒有PCE下降(圖4a)。相比之下，控制組在800小時(shí)后，PCE降至初始值的60%。在85°C下進(jìn)行的熱穩(wěn)定性測(cè)試顯示，SHF處理的器件在1800小時(shí)后保持92%的初始PCE，而對(duì)照組僅為52%(圖4b)。在-40°C至85°C之間循環(huán)200次后，SHF處理的器件保持94%的初始PCE，遠(yuǎn)高于對(duì)照組的57%(圖4c)。ToF-SIMS分析顯示，SHF處理的器件比對(duì)照組大大減少了I?離子的遷移，阻止了離子擴(kuò)散至銀電極并形成AgI，從而減緩了降解過程(圖4d、4e、4f)。SHF層通過穩(wěn)定界面，防止了I?離子的擴(kuò)散，延長(zhǎng)了器件的穩(wěn)定性(圖4g)。SHF還具有高熱穩(wěn)定性，分解溫度可達(dá)260°C(補(bǔ)充圖48)，證明其在長(zhǎng)期使用中的有效性(補(bǔ)充圖49)。

總結(jié)與展望

本研究報(bào)告了一種高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)，通過在鈣鈦礦和電子傳輸層(ESC)之間引入全氟化離子屏障，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)27.02%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)，認(rèn)證PCE為26.96%(認(rèn)證的最大功率點(diǎn)跟蹤PCE為26.61%)。SHF處理提高了缺陷形成能，消除了非光活性相，并調(diào)節(jié)了鈣鈦礦表面的功函數(shù)(WF)，有效減少了鈣鈦礦與C60之間的界面能量偏移。SHF提供的有利表面結(jié)構(gòu)還促進(jìn)了C60層的生長(zhǎng)，形成了更致密的ESC，從而抑制了器件內(nèi)可移動(dòng)離子的遷移。在加速老化測(cè)試條件下，器件表現(xiàn)出更好的操作穩(wěn)定性。這些發(fā)現(xiàn)為下一代高效率、高穩(wěn)定性的鈣鈦礦基光電器件開辟了新路徑。

文獻(xiàn)來源

Li, G., Zhang, Z., Agyei-Tuffour, B. et al. Stabilizing high-efficiency perovskite solar cells via strategic interfacial contact engineering. Nat. Photon. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01791-1