高效稳定钙钛矿太阳能电池的协同结晶调控与缺陷钝化研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Qiang Peng（四川大学化学工程学院/高分子材料工程国家重点实验室），合作作者包括Yihui Wu、Qi Wang等，成果发表于*Energy Environ. Sci.*（2022年，卷15，页4700–4709），隶属于英国皇家化学学会（RSC）期刊。

学术背景
钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其高光吸收系数（10⁵ cm⁻¹）、长载流子扩散长度（多晶膜中达41 μm）及低成本溶液加工优势，成为光伏领域的研究热点。然而，多晶钙钛矿薄膜的缺陷（如碘空位、甲脒空位）会导致非辐射复合，限制器件效率与稳定性。尽管认证效率已突破25.7%，但如何协同调控结晶过程与缺陷钝化仍是关键挑战。本研究旨在通过新型铵盐2-脒基嘧啶盐酸盐（APC）的引入，同步优化薄膜质量与缺陷态，实现高效率（>25%）与高稳定性PSCs。

研究流程与方法
1. APC的引入与分布分析
- 方法：将APC（0.01 mg/mL）溶于反溶剂（茴香醚:异丙醇=9:1），旋涂于湿法钙钛矿薄膜表面。
- 表征：飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）显示APC梯度分布于薄膜浅表层（图1c），未形成二维钙钛矿相。
- 相互作用验证：
- FTIR与NMR：APC的嘧啶氮（1568 cm⁻¹）与Pb²⁰空位配位，–NH₂⁺与I⁻形成氢键/离子键（图1d-e）。
- XPS：APC处理后，Pb 4f和I 3d结合能降低，证实电子云密度重排（图1g-i）。

1. 薄膜结晶与形貌调控

   • XRD：APC使（100）晶面衍射峰强度提升，半峰宽从0.191°降至0.171°，结晶取向性增强（图3a）。
     
   • SEM/AFM：晶粒尺寸从1050 nm增至1432 nm（最大达2100 nm），表面粗糙度（RMS）从55.3 nm降至48.4 nm（图3b-c, S7）。
     

2. 光电性能优化

   • 载流子动力学：
     
     • PL/TRPL：APC处理使平均荧光寿命从3799 ns延长至4931 ns，载流子扩散长度超4 μm（单晶水平）（图3e-f）。
       
     • SCLC：电子陷阱密度从1.74×10¹⁵ cm⁻³降至1.33×10¹⁵ cm⁻³。
       
   • 器件制备：结构为FTO/SnO₂/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/MoO₃/Ag，钙钛矿层厚600 nm（图4a）。
     

3. 光伏性能测试

   • J-V曲线：冠军器件效率达25.17%（认证24.51%），Voc=1.184 V（电压损失仅0.37 V），FF>84%（图4b, 表1）。
     
   • 稳定性：未封装器件在黑暗N₂中存储5个月保持95%效率，连续1太阳光照（LED阵列）600小时后保留93%（图6）。
     

主要结果与逻辑关联
- 缺陷钝化机制：APC的嘧啶氮与Pb²⁰空位配位，–NH₂⁺补偿FA⁺空位，抑制深能级缺陷（图2）。
- 结晶优化：Cl⁻调控结晶动力学，形成大晶粒、低粗糙度薄膜，减少晶界非辐射复合。
- 性能提升：载流子寿命延长与陷阱密度降低直接贡献于Voc和FF的显著提升（图5d）。

结论与价值
1. 科学价值：首次提出APC多官能团协同策略，同步解决钙钛矿结晶与缺陷问题，为薄膜质量调控提供新思路。
2. 应用价值：25.17%的效率与超84%的FF为平面PSCs的顶级水平，且大面积器件（1 cm²）效率达23.02%，具备产业化潜力。
3. 稳定性突破：长期存储与运行稳定性达商业化硅电池标准，推动PSCs实用化进程。

研究亮点
1. 创新材料设计：APC兼具结晶调控（Cl⁻）与双缺陷钝化（嘧啶氮与–NH₂⁺）功能。
2. 性能指标：载流子扩散长度4 μm、Voc损失0.37 V等参数接近单晶钙钛矿。
3. 普适性验证：在无MA的CsFA体系中也实现23.89%效率（图S22），证实策略广泛适用性。

其他价值
- 机理深度：通过UPS揭示APC使费米能级下移（-4.53 eV），增强界面电荷抽取（图3d）。
- 可重复性：60个器件统计显示批次差异极小（图4e），工艺稳定性优异。

（全文约2000字）