文章概述

本文針對倒置鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦與C60界面存在的嚴(yán)重非輻射復(fù)合和載流子傳輸效率低下的問題，設(shè)計(jì)并合成了一種多功能有機(jī)銨鹽分子PMEAI作為界面層。該分子的創(chuàng)新之處在于其獨(dú)特的平行于鈣鈦礦表面的水平排列方式，這種取向不僅能夠同時(shí)鈍化相鄰的鉛和碘空位缺陷，更重要的是誘導(dǎo)了界面內(nèi)建電場的反轉(zhuǎn)，使其方向從C60指向鈣鈦礦。此舉極大地促進(jìn)了電子提取并抑制了界面復(fù)合。同時(shí)，水平取向帶來的極低分子空間位阻保障了載流子的高效傳輸。基于PMEAI優(yōu)化的冠軍器件實(shí)現(xiàn)了26.7%的光電轉(zhuǎn)換效率，認(rèn)證效率達(dá)25.84%。此外，反向電場還能有效抑制銀電極離子的遷移，使器件在ISOS-L-2和ISOS-D-1測試標(biāo)準(zhǔn)下展現(xiàn)出卓越的操作穩(wěn)定性。

創(chuàng)新點(diǎn)分析

1)提出了分子取向工程誘導(dǎo)界面電場反轉(zhuǎn)的機(jī)制。通過設(shè)計(jì)具有雙銨鹽末端的PMEAI分子，使其以水平取向吸附于鈣鈦礦表面，從而將鈣鈦礦/C60界面的內(nèi)建電場方向從不利于電子傳輸?shù)姆聪蚺まD(zhuǎn)，從根本上優(yōu)化了載流子動(dòng)力學(xué)。

2)實(shí)現(xiàn)了低位阻缺陷鈍化與高效電荷傳輸?shù)膮f(xié)同。PMEAI的水平平行排列在實(shí)現(xiàn)雙位點(diǎn)有效鈍化鉛、碘空位缺陷的同時(shí)，最大限度地減少了傳統(tǒng)鈍化層因垂直排列產(chǎn)生的空間位阻，解決了提升開路電壓與犧牲填充因子和短路電流密度之間的矛盾。

3)賦予了界面層抑制離子遷移的功能。由PMEAI誘導(dǎo)的反向內(nèi)建電場不僅助力性能提升，還構(gòu)筑了一道抑制銀離子從電極向鈣鈦礦層遷移的能量壁壘，結(jié)合其致密的表面覆蓋，顯著增強(qiáng)了器件的長期穩(wěn)定性。

通過靜電勢分布圖顯示PMEAI的兩個(gè)銨基團(tuán)均呈現(xiàn)顯著正電勢，具備與鈣鈦礦八面體中相鄰碘離子進(jìn)行雙位點(diǎn)配位的潛力。密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步量化了三種分子在垂直和平行兩種吸附取向下的吸附能。結(jié)果表明，PMEAI表現(xiàn)出強(qiáng)烈的平行吸附傾向，其平行與垂直吸附能之差為顯著的負(fù)值，而PEAI則傾向于垂直吸附。這種熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的平行吸附取向是PMEAI能夠最小化界面位阻并實(shí)現(xiàn)后續(xù)界面改性的基礎(chǔ)。分子的熱穩(wěn)定性也滿足器件長期運(yùn)行的要求。

Figure 2通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)表征了鈍化分子對鈣鈦礦薄膜理化性質(zhì)及光電性能的影響。X射線衍射譜證實(shí)鈍化處理未引發(fā)新相。X射線光電子能譜揭示了PMEAI與鈣鈦礦中鉛和碘的顯著電子相互作用，表明其有效的缺陷鈍化作用?；谧贤夤怆娮幽茏V等數(shù)據(jù)構(gòu)建的能級(jí)圖顯示，PMEAI處理誘導(dǎo)產(chǎn)生了一個(gè)由C60指向鈣鈦礦的內(nèi)建電場，這與開爾文探針力顯微鏡測得的表面電勢變化相互印證。穩(wěn)態(tài)和時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜表明，PMEAI處理的薄膜具有最強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度和最長的載流子壽命，證明其最優(yōu)的缺陷鈍化和非輻射復(fù)合抑制能力。原子力顯微鏡還顯示PMEAI使薄膜表面更平整。

Figure3深入探究了PMEAI的鈍化機(jī)理及其對器件穩(wěn)定性的提升作用。密度泛函理論計(jì)算表明，PMEAI鈍化后碘空位和鉛空位的形成能顯著升高，說明其能有效抑制界面缺陷的產(chǎn)生。光致發(fā)光 mapping 圖像顯示PMEAI處理后的薄膜發(fā)光強(qiáng)度更高且分布更均勻，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了其出色的缺陷鈍化效果。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜分析提供了關(guān)鍵證據(jù)，表明PMEAI界面層能有效抑制銀離子從電極向鈣鈦礦有源層的遷移，其效果優(yōu)于對照組和PMAI組。這歸因于PMEAI水平取向形成的致密覆蓋層以及其誘導(dǎo)的反向內(nèi)建電場對銀離子遷移的靜電排斥作用，共同保障了器件的長期穩(wěn)定性。

Figure 4冠軍器件在反向掃描下獲得了26.7%的光電轉(zhuǎn)換效率，其開路電壓、短路電流密度和填充因子均優(yōu)于對照組。穩(wěn)態(tài)功率輸出測試確認(rèn)其穩(wěn)態(tài)效率達(dá)26.01%。外量子效率積分電流與電流-電壓曲線結(jié)果吻合。該策略具有良好的普適性，在面積擴(kuò)大到1平方厘米的器件上仍能保持24.5%的效率，并且應(yīng)用于寬帶隙鈣鈦礦電池時(shí)也能將效率從20.8%提升至23.0%。更重要的是，器件穩(wěn)定性測試結(jié)果極為突出，未封裝器件在氮?dú)猸h(huán)境下65攝氏度老化1500小時(shí)后仍能保持97%的初始效率，封裝器件在室內(nèi)環(huán)境1344小時(shí)后效率幾乎無衰減，顯著優(yōu)于對照組。

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