研究背景與挑戰(zhàn)

PSC商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸在于缺陷鈍化制程的再現(xiàn)性不足。本研究針對(duì)此領(lǐng)域面臨的三大核心挑戰(zhàn)：

1. 表面狀態(tài)變異性：鈣鈦礦薄膜表面狀態(tài)在不同批次、操作者間存在顯著差異，即使微小的制程波動(dòng)（溫度、化學(xué)計(jì)量比、濕度）都會(huì)導(dǎo)致截然不同的缺陷分布，使鈍化效果難以重現(xiàn)。

2. 最佳鈍化劑濃度控制困難：傳統(tǒng)策略需在缺陷修復(fù)與電荷傳輸間找到平衡點(diǎn)（最佳濃度C*），但表面狀態(tài)變異導(dǎo)致既定最佳條件無(wú)法跨實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)，甚至產(chǎn)生負(fù)面效果。

3. 常規(guī)鈍化模式的固有限制：CP模式下鈍化劑濃度變化顯著影響其分布與能級(jí)對(duì)齊，影響再現(xiàn)性。過(guò)量鈍化劑易形成殘余粉末和低維相，導(dǎo)致界面電阻過(guò)高、器件性能下降，并存在初始穩(wěn)定性問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)與解決方法

這項(xiàng)關(guān)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）缺陷鈍化策略的研究，由西湖大學(xué)王睿和浙江大學(xué)薛晶晶教授共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)所完成。他們的研究成果發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊 《自然能源》（Nature Energy）上。

研究團(tuán)隊(duì)提出「飽和鈍化」（Saturated Passivation, SP）新策略，采用創(chuàng)新兩步法解決上述挑戰(zhàn)：

第一步：活性調(diào)控

使用氟化異丙醇（FIPA）降低鈍化劑分子的反應(yīng)活性和滲透能力，允許使用高濃度鈍化劑確保所有表面缺陷充分鈍化，同時(shí)避免過(guò)度反應(yīng)和有害低維相的過(guò)度形成。

第二步：精確清洗

采用FIPA與異丙醇（IPA）混合溶劑進(jìn)行漂洗，精確去除多余的非結(jié)合鈍化劑分子，實(shí)現(xiàn)缺陷飽和鈍化并保持低維層在適當(dāng)厚度。

重點(diǎn)研究成果

Fig. 3i

1. FIPA溶劑的機(jī)理：FIPA中氟原子與銨鹽鈍化劑形成強(qiáng)氫鍵（H–F氫鍵），競(jìng)爭(zhēng)性抑制鈍化劑與PbI2的過(guò)度反應(yīng)，有效降低鈍化劑反應(yīng)活性和滲透能力，避免有害低維相過(guò)度形成。

2. 顯著拓寬操作窗口 ：SP策略對(duì)鈍化劑濃度偏差具有高容忍度，相較傳統(tǒng)CP模式提供更寬廣的適當(dāng)濃度范圍，大幅提升制程再現(xiàn)性。

3. 器件性能

• 效率突破：n–i–p低帶隙PSC達(dá)25.6%、p–i–n低帶隙PSC達(dá)26.0%、p–i–n寬帶隙PSC達(dá)23.0%、1 cm2大面積PSC達(dá)24.5%

• 穩(wěn)定性改善：1000小時(shí)加速老化后仍保持超過(guò)80%初始PCE，初始穩(wěn)定性顯著優(yōu)于CP器件

• 遲滯現(xiàn)象減少：缺陷鈍化有效抑制離子遷移

4. 廣泛普適性驗(yàn)證 SP策略適用于：

• 不同器件結(jié)構(gòu)（n–i–p、p–i–n）

• 多種鈣鈦礦組成（不同Br含量）

• 多樣制備技術(shù)（兩步法、反溶劑沉積法）

• 不同制備環(huán)境（氮?dú)狻⒖諝猓?/span>

• 多種器件面積（對(duì)大面積器件效果更顯著）

• 可透過(guò)浸泡法實(shí)現(xiàn)，具工業(yè)化潛力

實(shí)驗(yàn)步驟與過(guò)程

Fig. 4j

1. 鈣鈦礦薄膜制備 采用兩種主要沉積方法驗(yàn)證SP策略普適性：

• 兩步法：分層旋涂PbI2溶液和FAI/MACl溶液后退火，適用于n-i-p和p-i-n結(jié)構(gòu)的低帶隙及寬帶隙鈣鈦礦

• 反溶劑沉積法：旋涂前驅(qū)體溶液過(guò)程中滴加反溶劑（茴香醚或乙酸乙酯）后退火

制備環(huán)境涵蓋氮?dú)馐痔紫洌ǜ呒兌龋┖涂諝猸h(huán)境（25-30%濕度，模擬實(shí)際生產(chǎn)條件）。

2. 器件組裝

• 基板結(jié)構(gòu)：ITO或FTO玻璃基板上沉積電子/電洞傳輸層（SnO2、2PACz、NiOx/Me-4PACZ等）

• SP鈍化處理：高濃度銨鹽鈍化劑（PEAI等）溶于FIPA中旋涂至鈣鈦礦表面，隨后用FIPA/IPA混合溶劑漂洗去除多余分子。p-i-n結(jié)構(gòu)器件需短暫低溫退火

• 替代方法：驗(yàn)證浸泡法替代旋涂法的可行性

• 電極完成：沉積電洞傳輸材料（Spiro-OMeTAD）或電子提取層（LiF/C60/BCP），最后蒸鍍金屬電極

3. 性能測(cè)試 標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量J-V特性曲線(xiàn)，獲得PCE、VOC、JSC、FF等關(guān)鍵參數(shù)。所有測(cè)量均未經(jīng)預(yù)處理，并特別針對(duì)1 cm2大面積器件進(jìn)行工業(yè)化潛力評(píng)估。

表征方法與結(jié)果

準(zhǔn)費(fèi)米能階分裂 (Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS)

評(píng)估鈣鈦礦薄膜缺陷鈍化效果與非輻射復(fù)合損失抑制能力，QFLS提升直接關(guān)聯(lián)器件VOC和FF改善。

經(jīng)100 mM PEAI/FIPA處理的鈣鈦礦薄膜QFLSfilm改善幅度達(dá)17.5 mV，明顯優(yōu)于PEAI/IPA處理的12.8 mV。清洗步驟會(huì)因PEAI粉末溶解或2D相降解而降低改善幅度，但IPA清洗后的QFLSfilm改善幅度略高于FIPA清洗。SP處理后薄膜QFLSfilm持續(xù)改善，PL光譜中未觀察到明顯2D相發(fā)射峰，證實(shí)鈍化效果穩(wěn)定。

圖S 12 展示100 mM PEAI/FIPA和PEAI/IPA處理薄膜在未清洗、FIPA清洗、IPA清洗三種條件下的QFLSfilm改善對(duì)比。PEAI/FIPA未清洗樣品顯示最高改善值(17.5 mV)，直觀呈現(xiàn)不同溶劑處理與清洗步驟對(duì)缺陷鈍化效果的影響。

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電流密度-電壓 (J-V) 曲線(xiàn)

表征太陽(yáng)能電池核心性能參數(shù)，反映器件電荷傳輸與整體光伏性能。

SP策略顯著提升各種PSCs的PCE表現(xiàn)。Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n結(jié)構(gòu)器件經(jīng)PEAI-SP處理后，PCE達(dá)到25.5%（VOC = 1.17 V，FF = 83.00%，JSC = 26.30 mA cm^-2）。該策略對(duì)不同組分鈣鈦礦（20% FAPbBr₃或40% MAPbBr₃摻雜）、不同制備方法及不同環(huán)境均展現(xiàn)優(yōu)異通用性。SP鈍化有效降低遲滯現(xiàn)象，歸因于缺陷鈍化抑制離子遷移。

圖 4a 展示參考器件與PEAI-SP處理的Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n結(jié)構(gòu)器件J-V曲線(xiàn)對(duì)比及PCE統(tǒng)計(jì)直方圖。SP處理器件曲線(xiàn)更加「方正」，顯示更高填充因子和功率轉(zhuǎn)換效率，PCE分布更集中且平均值更高，突顯SP策略在提升器件性能和可重復(fù)性方面的顯著效果。

外部量子效率 (External Quantum Efficiency, EQE)

不同波長(zhǎng)光照下將入射光子轉(zhuǎn)換為輸出電流的效率，直接反映器件光譜響應(yīng)能力與太陽(yáng)光利用有效性。測(cè)量采用EnliTech QE-R量子效率量測(cè)系統(tǒng)。

EQE光譜數(shù)據(jù)支持J-V曲線(xiàn)測(cè)得的JSC值，進(jìn)一步驗(yàn)證器件在各光譜區(qū)域的性能表現(xiàn)，確認(rèn)SP策略處理后器件的光電轉(zhuǎn)換能力。

圖S 22a 展示Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n結(jié)構(gòu)器件EQE光譜。器件在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域（約300-850 nm）展現(xiàn)高量子效率，峰值接近90%，證實(shí)器件在該波長(zhǎng)范圍具有高效光吸收和電荷收集能力。

最大功率點(diǎn)追蹤 (MPP tracking)

在恒定光照和偏置電壓下監(jiān)測(cè)器件電流輸出隨時(shí)間變化，評(píng)估長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，特別是加速老化條件下的性能表現(xiàn)。

模擬加速老化測(cè)試條件下（65°C、N₂手套箱中0.8倍太陽(yáng)光照），SP策略展現(xiàn)穩(wěn)定性。SP器件在1000小時(shí)測(cè)試后仍保留超過(guò)80%初始PCE，而傳統(tǒng)鈍化(CP)器件在最初260小時(shí)內(nèi)PCE急劇下降，甚至低于對(duì)照組，歸因于鈍化劑過(guò)度滲透。SP器件初始穩(wěn)定性明顯優(yōu)于CP器件，源于鈍化劑滲透減少。

圖S 34 比較未封裝對(duì)照組、CP和SP器件在加速老化測(cè)試中歸一化PCE隨時(shí)間變化。SP器件PCE衰減速度最慢，展現(xiàn)最佳長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而CP器件在測(cè)試初期即顯現(xiàn)明顯性能下降。

其他表征

1.            角分辨X射線(xiàn)光電子能譜 (AR-XPS) ：分析鈍化劑分子在鈣鈦礦薄膜中的深度分布和穿透能力。證實(shí)FIPA-SP模式能高效移除深層PEAI，表面殘留最少，增強(qiáng)鈍化可重復(fù)性。(圖 1d)

2.            X射線(xiàn)繞射 (XRD) ：分析鈣鈦礦薄膜經(jīng)鈍化劑處理后的晶體結(jié)構(gòu)變化和2D相形成。證實(shí)FIPA顯著抑制PEAI粉末峰和2D相形成，有效抑制相變發(fā)生。(圖 1e)

3.            光致發(fā)光光譜 (PL) ：評(píng)估非輻射復(fù)合損失抑制情況，PL強(qiáng)度反映缺陷鈍化效果。顯示FIPA具有鈍化劑分子去除能力，IPA體積比增加時(shí)PL強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。(圖 3g)

4.            掃描電子顯微鏡 (SEM) ：直接觀察鈣鈦礦薄膜表面形態(tài)變化，特別是PbI₂富集區(qū)域轉(zhuǎn)化情況。證實(shí)FIPA抑制PEAI反應(yīng)性，處理后PbI₂富集區(qū)域(亮區(qū))仍部分存在。(圖 1g)

5.            核磁共振波譜 (NMR) 和 傅立葉變換紅外光譜 (FTIR) ：研究溶劑、PbI₂和鈍化劑配體間分子相互作用機(jī)制。證實(shí)FIPA中氟原子與銨鈍化劑形成強(qiáng)氫鍵，競(jìng)爭(zhēng)性阻礙低維相形成。(圖 2f)

6.            光伏參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析 ：評(píng)估SP策略的通用性、可重復(fù)性和適用性。證實(shí)SP策略在各種器件中表現(xiàn)優(yōu)異，1 cm2大面積PSCs的PCE從21.6%提升至24.5%。(圖S 24a)

結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)飽和鈍化（SP）策略，有效解決PSCs傳統(tǒng)鈍化方法因表面狀態(tài)變異導(dǎo)致的效果不一致問(wèn)題，顯著提升器件效率、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

核心創(chuàng)新突破：

1. FIPA溶劑的關(guān)鍵作用：氟化異丙醇（FIPA）顯著降低鈍化劑分子與鈣鈦礦反應(yīng)活性，相比傳統(tǒng)異丙醇（IPA）確保缺陷鈍化且不干擾電荷傳輸。FIPA拓寬操作窗口，使策略對(duì)鈍化劑濃度變化、沉積方法和兼容鈍化劑具有高耐受性，展現(xiàn)優(yōu)異通用性。

2. 器件性能：實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)效率突破：n–i–p低帶隙PSC達(dá)25.6%、p–i–n低帶隙PSC達(dá)26.0%、p–i–n寬帶隙PSC達(dá)23.0%、1 cm2大面積PSC達(dá)24.5%。SP策略提供更寬鈍化劑濃度操作范圍（20-100 mM PEAI濃度下效率穩(wěn)定保持25%），有效抑制遲滯效應(yīng)，顯著改善大面積器件性能。

3. 優(yōu)異穩(wěn)定性表現(xiàn)：加速壽命測(cè)試中（65°C、0.8太陽(yáng)光照、N₂環(huán)境），SP器件1000小時(shí)后仍保持超過(guò)80%初始PCE，而傳統(tǒng)鈍化（CP）器件在前260小時(shí)內(nèi)顯著衰退，甚至劣于未處理對(duì)照組，歸因于SP策略有效減少鈍化劑過(guò)度滲透。

4. QFLS顯著改善：SP處理薄膜顯示持續(xù)QFLS改善，100 mM PEAI/FIPA處理的薄膜QFLSfilm改善幅度達(dá)17.5 mV，明顯優(yōu)于PEAI/IPA的12.8 mV，在降低開(kāi)路電壓損失方面展現(xiàn)可重現(xiàn)的效果。

文獻(xiàn)參考自Nature Energy_DOI: 10.1038/s41560-025-01791-z

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