1.7电子伏宽带隙钙钛矿太阳能电池的表面共钝化处理，通过最小化电压损失实现了超过23%的转换效率

《Science Bulletin》：Surface Co-passivation for 1.7 eV wide-bandgap perovskite solar cells with minimal voltage loss to achieve over 23% efficiency

宽禁带钙钛矿太阳能电池通过双钝化策略有效抑制Br-I离子迁移导致的晶格应变和非辐射复合，使PCE提升至23.1%，VOC达1.29V，缺陷态密度降低40%，器件在85℃/2000h和45℃/65%RH条件下保持80%以上初始效率。

　　

张梦金|郭阳|王敏|马泽群|杨晓刚|孟林星|卢浩|田伟|李亮

苏州科技大学物理科学与技术学院，中国苏州215009

引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其高效率和低成本的制造工艺，目前是光伏领域的研究热点[1]、[2]、[3]。将PSCs从实验室研究过渡到工业应用的一个有前景的方法是将它们与基于硅的电池或不同带隙的钙钛矿电池串联集成[4]、[5]、[6]。在多结太阳能电池的背景下，宽带隙钙钛矿的研究是一个核心焦点[7]、[8]、[9]。宽带隙钙钛矿材料通常定义为带隙约为1.65 eV或更高的材料，它们具有两个关键优势：它们可以在硅基或窄带隙钙钛矿材料吸收较弱的光谱区域有效吸收光，并且可以提供合适的带隙位置来传输光子生成的载流子[10]、[11]、[12]。基于铅的Br-I混合钙钛矿是最广泛使用的宽带隙钙钛矿系统之一，表现出优异的兼容性和广泛的适用性[13]。然而，即使在这些优化的Br-I系统中，在薄膜制备过程中仍存在重大挑战。Br和I离子的原子半径不匹配会导致晶格应变并增加非辐射复合，从而降低开路电压（V_OC）和设备性能[14]。此外，在长时间光照下，由Br-I离子迁移引起的相分离仍然是限制设备运行稳定性的关键因素[15]。

为了解决与宽带隙钙钛矿相关的问题，构建高质量薄膜和增强载流子传输能力是有效的方法[16]、[17]。引入在钙钛矿生长过程中促进特定晶体取向的分子可以平衡Br和I离子的结晶动力学，从而减轻相分离[18]。使用自组装单层（SAM）材料可以减轻传统电子传输层（如TiO₂和SnO₂）中的缺陷对宽带隙钙钛矿薄膜的蚀刻效应，从而减弱长时间光照引起的相分离[19]。尽管这些方法显著提高了宽带隙PSCs的性能，但许多这些功能分子需要复杂的合成过程。因此，开发一种通用且简单的方法对于宽带隙钙钛矿材料的发展仍然非常重要。

通过表面钝化减少钙钛矿薄膜中的缺陷以提高设备性能是一种普遍适用的方法[20]、[21]、[22]、[23]。通过设计具有不同电负性的官能团的钝化剂，这些钝化剂可以通过它们对缺陷位点（如碘空位）的强吸附有效地掺入钙钛矿薄膜中[24]。这一过程显著减少了设备中的非辐射复合，从而提高了其性能[25]、[26]。此外，钝化剂可以与钙钛矿薄膜表面的未反应前驱体反应形成低维钙钛矿相，这些相有效地将体材料与外部环境隔离开来，从而延长设备寿命[27]、[28]。虽然单次钝化已被证明可以有效提高钙钛矿薄膜的质量，但它通常优先与吸附能量最高的缺陷结合[29]、[16]。这在宽带隙钙钛矿中尤其有限制，因为宽带隙钙钛矿具有多种类型的缺陷和明显的相分离。吸附能量较低的缺陷可能仍然未被钝化，从而影响整体效果。尽管增加钝化剂的浓度可以提高覆盖率，但过量的分子可能会形成次要相或在钙钛矿表面积累，降低界面电性能，最终损害设备性能[30]、[31]。使用含有苯环的钝化剂与不含此类结构基团的钝化剂结合可能会产生分子互补效应，从而在宽带隙钙钛矿设备中实现更好的缺陷钝化效果。因此，在宽带隙钙钛矿系统中选择性地使用具有不同吸附能量的钝化剂而不增加钝化剂的量可能是实现更好性能的新方法。

在这里，我们对基于Cs_0.22FA_0.78PbI_2.25Br_0.75的1.7 eV宽带隙钙钛矿材料进行了单次钝化与共钝化策略的比较研究。优化的太阳能电池器件实现了23.1%的显著功率转换效率（PCE），超过了单次钝化的器件。我们证明，共钝化系统有效解决了单次钝化无法完全解决的缺陷问题，从而显著提高了薄膜质量并降低了表面电位。这导致光电转换过程中的电压损失大幅减少，优化后的器件实现了1.29 V的开路电压（V_OC）。理论计算进一步证实，与单次钝化的器件相比，共钝化可以更有效地吸附到钙钛矿材料中的不同缺陷位点，从而更全面地减少缺陷态密度。在各种条件下的稳定性测试也证明了共钝化钙钛矿材料的优越稳定性。未封装的器件在室温下连续光照2000小时后仍保持了98.5%的初始效率。在高温条件（85 °C）下，未封装的器件在连续光照900小时后仍保持了80%的效率。此外，在高湿度条件（45 °C，65%相对湿度）下，共钝化的器件在最大功率点（MPP）跟踪过程中表现出更好的稳定性。这项工作确立了共钝化作为一种有效且广泛适用的方法，用于提高基于铅的Br-I混合宽带隙钙钛矿的性能和稳定性，具有应用于其他带隙钙钛矿系统的潜力。

章节摘录

材料

碘化铅（PbI₂，99.99%）购自TCI。甲胺碘化物（FAI，>99.99%）购自Greatcell。[4-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（MeO-4PACz，>90%）和[6], [6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PC₆₁BM，99.9%）由Advanced Election Technology Co., Ltd.提供。溴化铅（PbBr₂，99.99%）、浴铜矿（BCP，99%）、碘化铯（CsI，99.9%）、溴化铯（CsBr，99.99%）、甲胺溴化物（FABr，99.9%）、2-苯乙胺氢碘化物

钙钛矿的表面钝化

Cs_0.22FA_0.78PbI_2.25Br_0.75宽带隙钙钛矿的缺陷状态与其窄带隙对应物明显不同。为了实现更好的钝化效果，我们对宽带隙钙钛矿的钝化进行了系统研究。图1a展示了用各种单次钝化剂处理的器件的光伏参数，其中PEAI和PDADI获得了相对较高的PCE。为了后续讨论的清晰性，我们为每种钝化剂分配了字母标签。

结论

总之，利用我们对宽带隙PSCs的基本理解，我们设计了有针对性的改进策略来解决宽带隙钙钛矿固有晶体缺陷相关的关键损失机制。具体来说，我们在宽带隙钙钛矿薄膜表面引入了共钝化方法，有效钝化了由Br-I离子引起的缺陷位点。这一过程显著减少了表面缺陷，提高了薄膜质量，最小化了

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52332008、52472166、52422208、U23A20571、52402294和52025028）、江苏省自然科学委员会优秀青年基金（BK20220118）、江苏省自然科学基金（BK20240041）以及江苏省重点大学科研项目（23KJA430011）的支持。我们感谢陈新欣教授、王长雷教授、王玉义先生、李全洲先生和王永创先生的宝贵帮助