专为高效倒置钙钛矿太阳能电池表面调制设计的双组分分子

《Journal of Energy Chemistry》：Tailored dual-site molecule for surface modulation of highly efficient inverted perovskite solar cells

钙钛矿太阳能电池表面缺陷的非辐射复合问题可通过双位点钝化策略解决。研究采用4-(2-氨基乙基)四氢吡喃盐酸盐（4TH）分子，其N和O原子分别与PbI?表面的碘和铅原子形成配位键，同时与电子传输层（C??）实现能级匹配。实验表明该策略使转换效率提升至25.02%，并显著改善未封装器件的长期热稳定性和电荷传输性能。

　　

苗文静|尹然|王克祥|游婷婷|郝伟昌|尹鹏刚

北京航空航天大学化学学院，中国北京100191

摘要

钙钛矿表面由于缺陷引起的非辐射复合现象对其光伏性能有显著影响。本文研究了双位点钝化策略对钙钛矿/C₆₀界面处理效果对倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能的影响。理论计算表明，4-(2-氨基乙基)四氢吡喃（4TH）倾向于在钙钛矿表面水平排列，并且双位点同时对钙钛矿起作用。实验结果表明，4TH能够钝化钙钛矿表面并调节界面能级。经过钝化处理后，钙钛矿表面的能级与C₆₀更加匹配，从而促进了载流子的传输。采用4TH改性的倒置PSCs的功率转换效率（PCE）达到了25.02%。此外，改进后的未封装器件还表现出更好的长期稳定性和热稳定性。

引言

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）有了显著提升[[1], [2], [3]]。单结钙钛矿太阳能电池在提高PCE方面取得了重要进展，其认证效率已超过27%。这充分展示了该领域的发展潜力和应用前景[[4], [5], [6]]。倒置PSCs具有高效率、稳定的性能，并且与串联太阳能电池兼容，表明其具有广阔的商业开发潜力[[7], [8], [9]]。制备低缺陷密度的均匀钙钛矿薄膜是高性能PSCs的基础[10,11]。然而，在制备过程中，表面/界面和晶界的缺陷会形成深能级陷阱，导致载流子的严重非辐射复合、离子迁移和滞后效应[[12], [13], [14]]。为了解决这些问题，采用了多种钝化策略来钝化钙钛矿薄膜中的缺陷，从而提高PSCs的效率和稳定性。

表面缺陷通常会导致电性能不均匀和非辐射复合，这是p-i-n型PSCs效率较低的一个重要因素[15]。由于钙钛矿与电子传输层（ETL）之间的表面缺陷和能带错配，会发生非辐射复合损失，从而限制了开路电压（V_OC）和填充因子（FF）的提高[[16], [17], [18]]。使用相对于钙钛矿表面垂直定向的配体分子进行单位点钝化往往会形成致密的钝化层，在钙钛矿与ETL之间产生电阻屏障[[19], [20], [21], [22]]。本研究旨在探索一种新的钝化策略。通过调节配体分子在钙钛矿表面和晶界上的空间取向，双位点钝化实现了分子尺寸的适应性以及精确的缺陷钝化效果。

本文采用了一种表面双位点钝化策略来改善载流子传输，实现高效且稳定的倒置型PSC。我们提出了使用4-(2-氨基乙基)四氢吡喃（4TH）作为双位点钝化剂来优化倒置PSC中的ETL，该钝化剂含有氮（N）和氧（O）官能团。理论计算表明，4TH分子同时具有供体和受体性质，有利于其在钙钛矿表面的双位点平行吸附。分子中的N和O位点可以分别钝化钙钛矿表面的V_Pb和V_I。实验表征进一步证实，分子中的NH基团可以与PbI₂中的碘形成NH–I键，与FA⁺中的氮形成NH–N键。同时，分子中的O原子可以与PbI₂中的铅形成Pb–O键。这种策略可以钝化钙钛矿的表面缺陷，提高其与C₆₀的能级匹配度，并促进界面电荷的提取和传输。基于4TH改性的倒置PSCs的PCE达到了25.02%，为高性能器件的界面工程提供了见解。

结果与讨论

如图1所示，通过密度泛函理论（DFT）研究了4TH分子的静电势（ESP）及其与钙钛矿的相互作用。设计了三种模型来说明4TH与钙钛矿之间的相互作用。根据ESP，需要考虑以下几种相互作用：NH–I（图1b）、Pb–O（图1c）以及双位点结合的NH–I和Pb–O（图1d）。计算得到的4TH与钙钛矿表面之间的E_b为

结论

在钙钛矿/C₆₀界面处，垂直定向的钝化剂配体的密集组装可能会引入额外的界面电阻。采用双位点结合钝化策略来解决钙钛矿与ETL层之间的界面问题。理论计算结果表明，4TH双位点与钙钛矿结合时表现出最低的E_b，从而揭示了这种双位点钝化策略的有效性。

CRediT作者贡献声明

苗文静：撰写——原始草稿，软件操作，数据整理，概念构思。尹然：撰写——审稿与编辑，数据整理，概念构思。王克祥：指导，资金争取。游婷婷：撰写——审稿与编辑，指导，资金争取。郝伟昌：指导。尹鹏刚：项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62305015，22005013）的支持。作者感谢北京航空航天大学分析测试中心的设施和科学技术支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。