研究成果與看點：

研究團隊提出了一種創(chuàng)新的雙配體鈍化(Dual-Ligand Passivation, DLP)方法，成功解決了傳統(tǒng)2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2D鈣鈦礦量子阱寬度分布不均勻的問題。此研究的主要成就包含：

●實現(xiàn)純相2D鈍化層：利用MeCZEAI和mFPEAI兩種配體共沉積，精準控制2D鈣鈦礦的成核與生長，形成均勻的n=12D相鈍化層，解決了傳統(tǒng)單配體鈍化造成的2D相分布不均的問題。

●提升器件效能：采用DLP策略的組件，0.05 cm2面積的組件效率達到25.86%，1 cm2面積的組件效率達到25.08%，同時展現(xiàn)優(yōu)異的操作穩(wěn)定性 (T90 > 1000 小時)和熱穩(wěn)定性。

●深入理解鈍化機制：通過瞬態(tài)吸收光譜(TA)、X射線光電子能譜(XPS)和Kelvin探針顯微鏡(KPFM)等多種表征技術(shù)，深入分析了DLP策略如何調(diào)控表面反應動力學、均勻化能量分布，并提升電荷傳輸效率的機制。

●更佳的表面電位分布：DLP處理的鈣鈦礦表面表現(xiàn)出更均勻的電位分布，電位分布的半高寬(FWHM)僅為68 mV，比單配體處理的177 mV顯著降低。此外，DLP處理后的表面電位相較于單配體處理提升了80 mV。

研究團隊：

本研究由新加坡國立大學 (National University of Singapore, NUS) 和天津大學 (Tianjin University) 的研究人員共同完成，通訊作者為新加坡國立大學侯毅 (Yi Hou)和天津大學胡文平(Wenping Hu)。

研究背景：

在鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)領(lǐng)域，表面鈍化是一種關(guān)鍵策略，用以提升效率和穩(wěn)定性。其中，在鈣鈦礦表面堆棧2D材料，利用其量子局限效應，能有效鈍化缺陷并調(diào)整能階排列，是廣泛應用的方法。然而，傳統(tǒng)上使用單一有機配體形成的2D鈣鈦礦鈍化層，常會出現(xiàn)以下問題：

●量子阱寬度分布不均：不同配體分子尺寸和表面反應動力學差異，會導致2D鈣鈦礦形成不同寬度的量子阱，造成能量分布不均，影響器件的光電特性。

●多種2D相的形成：表面反應難以控制，容易生成多種不同n值的2D鈣鈦礦，造成額外的缺陷和能量損失。

●不利的能階排列：2D鈍化層可能導致能階錯位，阻礙電荷傳輸，降低器件效率。

許多研究已經(jīng)探討如何調(diào)控2D鈣鈦礦的量子阱分布，例如調(diào)整配體類型或添加各種添加劑。然而，對于n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池而言，如何精確控制2D鈍化層的量子阱分布和n值，仍是一個挑戰(zhàn)。

解決方案：

本研究針對傳統(tǒng)2D鈍化層的缺點，提出了雙配體鈍化(DLP)策略。核心概念是引入兩種不同尺寸和吸附能力的有機配體，藉由調(diào)控它們在鈣鈦礦表面的反應動力學，實現(xiàn)純相n=1的2D鈍化層。具體而言：

●雙配體選擇：

○MeCZEAI (3,6-二甲基咔唑-9-乙基銨碘化物)：具有較大的分子尺寸和較低的吸附能，優(yōu)先吸附在鈣鈦礦表面，可作為反應調(diào)節(jié)劑。

○mFPEAI (間氟苯乙基銨碘化物)：較小的分子尺寸，可形成2D鈣鈦礦。

●反應機制：MeCZEAI優(yōu)先吸附在鈣鈦礦表面后，會調(diào)控mFPEAI與鈣鈦礦的反應，使得mFPEAI只能形成n=1的2D鈣鈦礦，避免產(chǎn)生多種2D相。

●均勻的能量分布：透過上述機制，DLP策略成功實現(xiàn)了具有均勻量子阱寬度分布的2D鈍化層，進而改善了器件的能量分布。

實驗過程與步驟：

以下是本研究的實驗流程，包含材料制備、薄膜沉積、鈍化處理等關(guān)鍵步驟：

●材料準備：

使用碘化鉛(PbI2)、碘化銫(CsI)、碘化甲脒(FAI)和氯化甲胺(MACl)等前驅(qū)物制備鈣鈦礦；MeCZEAI的合成：以3,6-二甲基-9H-咔唑、氫氧化鈉、2-氯乙胺鹽酸鹽和四丁基硫酸氫銨為原料，經(jīng)由回流、過濾、濃縮、添加HI和再結(jié)晶等步驟合成；使用mFPEAI作為2D配體；使用Spiro-OMeTAD作為電洞傳輸材料；使用氧化錫(SnOx)作為電子傳輸材料。

●器件結(jié)構(gòu)：本研究采用n-i-p型結(jié)構(gòu)：ITO/SnOx/鈣鈦礦/鈍化層/Spiro-OMeTAD/MoOx/Ag。

●薄膜制備：

1.ITO玻璃基板清潔：使用清潔劑、丙酮和異丙醇進行超音波清洗。

2.SnOx電子傳輸層沉積：將稀釋的SnOx奈米粒子溶液旋涂在基板上，經(jīng)退火和UVO處理。

3.鈣鈦礦層沉積：將混合前驅(qū)物溶液旋涂在SnOx層上，并在進行氣體淬滅。接著在70°C熱板上加熱，150°C環(huán)境中退火。

4.鈍化層處理：

■單配體處理：將mFPEAI溶液旋涂在鈣鈦礦表面。

■DLP處理：將mFPEAI和MeCZEAI的混合溶液旋涂在鈣鈦礦表面。

5.Spiro-OMeTAD電洞傳輸層沉積：將摻雜TBP、Li-TFSI和FK209的Spiro-OMeTAD溶液旋涂在鈍化層上。

6.電極沉積：蒸鍍氧化鉬(MoOx)和銀(Ag)電極。

器件與表征

●電流-電壓(J-V)特性曲線：

研究團隊使用Enlitech的太陽光模擬器(SS-PST220R)模擬AM 1.5G太陽光照條件進行J-V曲線量測。組件展現(xiàn)出更高的開路電壓(Voc)和填充因子(FF)，進而提升了整體效率。

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使用雙配體鈍化(DLP)處理的小面積組件 (0.05 cm2)，其PCE可以達到25.86%，Voc為1196 mV，FF為83.7%。（圖4c及表S2）

1 cm2的組件，DLP處理的效率可達25.08%。直接證明了DLP策略在提升組件效率上的優(yōu)勢。（圖4e）

●瞬態(tài)吸收光譜(TA)：

分析量子阱分布，單配體mFPEAI處理的鈣鈦礦表面，出現(xiàn)n=1和n=2兩種2D鈣鈦礦的特征吸收峰（圖S3），表示存在多種2D相。

圖1d顯示單配體mFPEAI處理的鈣鈦礦表面的TA光譜，圖1e顯示DLP處理的鈣鈦礦表面的TA光譜。

●外部量子效率(EQE)：

DLP處理的組件，其積分電流密度(integrated current density)可達25.57 mA/cm2。藉由對EQE曲線進行微分，可觀察到797 nm處的波谷，對應的能隙為 1.55 eV，進一步驗證了DLP策略提升光電轉(zhuǎn)換效率的能力。（圖4d）

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●光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PLQY)：

DLP處理的樣品，其PLQY高達12%，遠高于單配體處理的樣品的9%，顯示DLP策略能有效減少非輻射復合。（圖2d）

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●時間解析光致發(fā)光(TRPL)：測量載子壽命。DLP處理的鈣鈦礦薄膜，其平均載子壽命τave為1.77 μs，約為單配體處理的0.80 μs的兩倍。減少了陷阱輔助的非輻射復合以及更均勻的能量分布。（圖2c）

其他表征：

●隱含開路電壓(iVoc)：從PLQY數(shù)據(jù)中，研究團隊得到，在一個太陽光強度下，DLP處理的樣品iVoc達到1229 mV。（圖2b）

●X射線光電子能譜(XPS)：分析表面元素化學狀態(tài)。氟(F)的強度明顯高于單配體處理的表面，表示2D層更富集在鈣鈦礦表面，且有更好的空間局限效應。（圖S6）

●原子力顯微鏡(AFM)：用于測量表面粗糙度。（圖S8）

●掃描電子顯微鏡(SEM)：用于觀察表面形貌。（圖S9）

●Kelvin探針顯微鏡(KPFM)：用于測量表面電位。（圖3d、3e和3f）

●紫外光電子能譜(UPS)：測量鈣鈦礦的價帶能階。（圖3a、3b）

●空間電荷限制電流(SCLC)：用于計算陷阱密度和載子遷移率。（圖S10a）

●瞬態(tài)光電壓(TPV)和瞬態(tài)光電流(TPC)：用于分析電荷復合和電荷傳輸動力學。（圖S13）

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●掠入射X射線繞射(GIXRD)：用于分析晶體結(jié)構(gòu)。（圖S7）

●核磁共振儀HNMR：分析分子結(jié)構(gòu)。（圖S1和S2）

總結(jié)：

本研究成功開發(fā)了一種雙配體鈍化(DLP)策略，有效地調(diào)控了鈣鈦礦太陽能電池中2D鈍化層的量子阱分布，解決了傳統(tǒng)2D鈍化層的缺陷，并提升了器件的性能和穩(wěn)定性。以下是本研究的主要成果：

l 提升組件效率：使用DLP策略的0.05 cm2組件，最高功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)可達25.86%，開路電壓(Voc)為1196 mV，填充因子(FF)為83.7%18。此外，1 cm2的組件，PCE仍可達到25.08%。

l 改善界面特性：DLP處理的鈣鈦礦表面，具有更均勻的表面電位分布，且界面處的電場強度也獲得提升，有助于載子分離和收集。

l 提高組件穩(wěn)定性：

1.            經(jīng)過1000小時的最大功率點追蹤(MPPT)測試，DLP處理的組件仍保持初始效率的93%，展現(xiàn)了優(yōu)異的長期操作穩(wěn)定性。

在85°C的加熱測試下，DLP處理的組件在300小時后仍保持初始效率的82%，顯示了良好的熱穩(wěn)定性。

文獻參考自Journal of the American Chemical Society_DOI: 10.1021/jacs.4c14473

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