定制化的埋层钝化技术：实现高效率CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的途径

《Vacuum》：Tailored buried layer passivation: A pathway to high efficiency CsPbBr 3 perovskite solar cells

低低温TiO?电子传输层改性研究：通过KCl辅助钝化降低缺陷密度，提升电子迁移率与导电性，结合真空蒸镀CsPbBr3层及碳电极构建无HTL器件，实现10.42%转换效率及优异稳定性。

　　这项研究提出了一种创新的策略，用于改善钙钛矿太阳能电池（PSCs）中二氧化钛（TiO?）电子传输层（ETL）的性能。通过引入KCl作为修饰剂，该方法有效减少了TiO?薄膜中的陷阱密度，提高了其电子迁移率和导电性。同时，该研究还探讨了如何通过特定的工艺优化，确保KCl修饰效果的稳定性，并进一步提升了整体电池的性能。

TiO?作为一种广泛使用的电子传输材料，在钙钛矿太阳能电池中具有显著的优势。它不仅成本低廉，而且具有优异的热稳定性，使其成为构建高效PSCs的理想选择。然而，传统方法通常需要高温烧结（通常超过450°C）才能获得具有最佳导电性和结晶度的TiO?薄膜。这种高温处理不仅增加了制造成本，还限制了其在柔性基底和叠层器件中的应用。因此，研究人员致力于开发低温合成TiO?的方法，以降低生产能耗并提高材料的兼容性。

在本研究中，通过低温度化学浴沉积法（CBD）制备TiO?薄膜，并引入KCl作为添加剂。KCl的加入不仅能够有效钝化TiO?中的缺陷，还能优化其能带结构，提高电子迁移率和导电性。此外，KCl还能够调节钙钛矿层的成核与生长过程，促使形成更大的晶粒尺寸。这种改进显著提升了钙钛矿层的质量，从而改善了整个电池的光电性能。

为了确保KCl修饰效果的稳定性，研究人员采用了真空蒸发法来沉积钙钛矿层，而不是常用的旋涂法。旋涂法通常需要使用有机溶剂（如N,N-二甲基甲酰胺DMF和二甲基亚砜DMSO）来溶解钙钛矿前驱体，这可能会导致KCl被溶剂冲刷掉，从而削弱其钝化作用。相比之下，真空蒸发法避免了有机溶剂的使用，使得KCl能够稳定地保留在TiO?薄膜中，持续发挥其钝化作用。这种方法不仅提高了TiO?与钙钛矿层之间的界面质量，还减少了电池结构中的缺陷密度，进而提升了电子传输效率。

在电池结构设计方面，研究人员进一步简化了传统PSCs的结构，采用低成本的碳电极替代了常用的金或银电极。碳电极不仅具有良好的导电性，还能够作为空穴传输材料，从而构建出一种无需空穴传输层的PSC结构。这种简化不仅降低了制造成本，还提高了电池的稳定性和可扩展性。最终，通过这种优化的结构设计和KCl修饰策略，研究人员成功制备出一种高性能的钙钛矿太阳能电池，其最高光电转换效率达到了10.42%。

在长期稳定性测试中，该电池表现出优异的存储性能。实验结果显示，未封装的电池在25°C和45%相对湿度的空气中放置50天后，仍能保持超过90%的初始效率。相比之下，对照组的电池效率下降至82%。这一结果表明，KCl修饰的TiO?电子传输层不仅提升了电池的光电性能，还显著增强了其在实际应用中的稳定性。

钙钛矿太阳能电池因其卓越的光电转换效率和相对较低的制造成本，被视为下一代光伏技术的重要候选。然而，其商业化进程仍然面临诸多挑战，尤其是对环境因素的敏感性。有机-无机混合钙钛矿材料，如甲基铵铅碘（MAPbI?）和甲脒铅碘（FAPbI?），虽然具有较高的光电效率，但它们对水分、氧气、光照和热应力的易受性限制了其在实际环境中的应用。相比之下，全无机钙钛矿材料，如CsPbBr?，展现出更强的环境稳定性。其容忍因子t和八面体因子μ的数值分别为0.862和0.607，均处于稳定范围（t = 0.812–1.107，μ = 0.442–0.895）[5]。尽管CsPbBr?的容忍因子低于MAPbI?（t = 0.912）和FAPbI?（t = 0.987），但其八面体因子高于这两种材料，表明其在结构稳定性方面具有显著优势。因此，CsPbBr?被认为是实现钙钛矿太阳能电池商业化的重要材料。

自2015年以来，基于CsPbBr?的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率显著提升，从最初的5.95%增加到11.23%[7]。这一进步表明，CsPbBr?在光伏应用中具有巨大的潜力。然而，为了进一步提高其性能，研究人员需要解决一些关键问题，包括如何优化电子传输层的性能、如何减少界面缺陷以及如何提高电池的稳定性。

在本研究中，研究人员通过引入KCl作为修饰剂，成功解决了上述部分问题。KCl的加入不仅减少了TiO?薄膜中的缺陷密度，还提高了其导电性和电子迁移率。同时，KCl还能够调节钙钛矿层的成核和生长过程，促使形成更大的晶粒尺寸。这种改进显著提升了钙钛矿层的质量，从而改善了整个电池的光电性能。

此外，KCl的引入还优化了TiO?与钙钛矿层之间的能带对齐，使得电子能够更高效地从TiO?传输到钙钛矿层。这一优化进一步降低了非辐射复合的几率，从而提高了电池的效率。实验结果显示，经过KCl修饰的TiO?电子传输层能够有效提升钙钛矿太阳能电池的性能，使其光电转换效率从9.44%提升至10.42%。

在制造工艺方面，研究人员采用真空蒸发法来沉积钙钛矿层，这种方法不仅避免了有机溶剂的使用，还能够制备出更大晶粒尺寸的钙钛矿薄膜。大晶粒尺寸有助于减少缺陷密度，提高电子传输效率，从而提升电池的整体性能。同时，真空蒸发法还能够实现大面积、高质量钙钛矿薄膜的制备，这对于未来钙钛矿太阳能电池的大规模生产具有重要意义。

为了进一步降低成本并提高生产效率，研究人员还采用碳电极替代传统的金或银电极。碳电极不仅具有良好的导电性，还能够作为空穴传输材料，从而构建出一种无需空穴传输层的PSC结构。这种简化不仅降低了制造成本，还提高了电池的稳定性和可扩展性。实验结果显示，采用碳电极的电池在未封装状态下仍能保持较高的效率，表明其在实际应用中具有较强的稳定性。

综上所述，本研究通过引入KCl修饰策略和采用真空蒸发法沉积钙钛矿层，成功提升了钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。这种方法不仅优化了电子传输层的性能，还提高了钙钛矿层的质量，从而实现了更高的光电转换效率。同时，采用碳电极替代传统电极材料，进一步降低了制造成本，提高了电池的商业化潜力。未来，这种集成方法有望成为实现钙钛矿太阳能电池商业化的重要途径。

在实验过程中，研究人员使用了多种材料，包括KCl、CsBr、TiCl?、PbBr?以及碳糊。这些材料均来自不同的供应商，且未经过进一步纯化。FTO基底（15 Ω/sq，2.2 mm厚）也从Advanced Technology CO., Ltd.采购。所有实验材料的使用均遵循标准操作流程，以确保实验结果的准确性和可重复性。

为了研究KCl对TiO?薄膜结构的影响，研究人员通过XPS光电子能谱分析了TiO?薄膜的化学组成和表面状态。结果表明，KCl的引入能够有效减少TiO?中的缺陷密度，提高其导电性和电子迁移率。此外，XPS分析还显示，KCl在TiO?薄膜中形成了稳定的钾富集相，这些相能够作为有效的缺陷钝化中心，从而提升TiO?与钙钛矿层之间的界面质量。

除了XPS分析，研究人员还采用了其他表征技术，如XRD（X射线衍射）、SEM（扫描电子显微镜）和PL（光致发光）光谱，以进一步研究KCl修饰对TiO?和钙钛矿层的影响。XRD分析显示，KCl修饰的TiO?薄膜具有更优的结晶度，而SEM图像则表明其晶粒尺寸明显增大。PL光谱分析进一步证实了KCl修饰能够有效减少非辐射复合，从而提升电子传输效率。

此外，研究人员还对电池的电学性能进行了系统研究。通过电流-电压（IV）测试，他们评估了KCl修饰对电池效率的影响。实验结果显示，KCl修饰的TiO?电子传输层能够显著提升电池的光电转换效率，使其达到10.42%。同时，研究人员还测试了电池在不同环境条件下的稳定性，发现未封装的电池在25°C和45%相对湿度的空气中放置50天后，仍能保持超过90%的初始效率，而对照组的电池效率则下降至82%。这一结果表明，KCl修饰不仅提升了电池的性能，还显著增强了其在实际应用中的稳定性。

为了验证KCl修饰的有效性，研究人员还对不同浓度的KCl进行了系统研究。结果显示，KCl的加入浓度对TiO?薄膜的性能具有显著影响。当KCl的浓度为1.0 mg/mL时，TiO?薄膜的导电性和电子迁移率达到最佳状态。此外，KCl的加入还能够促进钙钛矿层的成核和生长，形成更大的晶粒尺寸，从而减少缺陷密度并提高电子传输效率。

在实际应用中，研究人员还考虑了电池的可扩展性和生产成本。通过采用真空蒸发法沉积钙钛矿层，他们能够避免有机溶剂的使用，从而降低生产成本。同时，这种工艺还能够实现大面积、高质量钙钛矿薄膜的制备，为未来钙钛矿太阳能电池的大规模生产提供了可行的方案。此外，采用碳电极替代传统电极材料，不仅降低了成本，还提高了电池的稳定性，使其在实际应用中更具竞争力。

综上所述，本研究通过引入KCl修饰策略和优化沉积工艺，成功提升了钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。这种集成方法不仅优化了电子传输层的性能，还提高了钙钛矿层的质量，从而实现了更高的光电转换效率。同时，采用碳电极替代传统电极材料，进一步降低了制造成本，提高了电池的商业化潜力。未来，这种策略有望成为实现钙钛矿太阳能电池商业化的重要途径，推动其在可再生能源领域的广泛应用。

本研究的创新之处在于，它结合了多种策略来优化钙钛矿太阳能电池的性能。首先，通过引入KCl作为修饰剂，研究人员有效减少了TiO?薄膜中的缺陷密度，提高了其导电性和电子迁移率。其次，采用真空蒸发法沉积钙钛矿层，避免了有机溶剂的使用，从而确保了KCl修饰效果的稳定性。最后，采用碳电极替代传统电极材料，构建出一种无需空穴传输层的PSC结构，进一步降低了制造成本并提高了电池的稳定性。

在实际应用中，这种优化策略具有重要的意义。首先，它能够显著提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，使其更接近商业化的标准。其次，通过减少对有机溶剂的依赖，研究人员能够避免溶剂对KCl修饰效果的破坏，从而确保电池在长期使用中的稳定性。此外，采用碳电极替代传统电极材料，不仅降低了生产成本，还提高了电池的环境适应性，使其能够在更广泛的条件下使用。

本研究的成果不仅为钙钛矿太阳能电池的优化提供了新的思路，还为未来光伏技术的发展奠定了基础。通过结合KCl修饰和真空蒸发沉积技术，研究人员成功构建了一种高效、稳定且低成本的钙钛矿太阳能电池结构。这种结构有望在未来实现更大规模的生产，并推动钙钛矿太阳能电池在可再生能源领域的广泛应用。

在总结本研究时，研究人员指出，KCl的引入不仅优化了TiO?电子传输层的性能，还提高了钙钛矿层的质量，从而实现了更高的光电转换效率。同时，KCl的加入还能够促进K?离子在钙钛矿层中的扩散，形成稳定的KPb?Br?晶种，进一步减少界面缺陷并提升电子传输效率。此外，采用碳电极替代传统电极材料，不仅降低了生产成本，还提高了电池的稳定性和可扩展性。这些研究成果为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了重要的支持，也为未来光伏技术的发展提供了新的方向。

通过本研究，研究人员成功克服了传统钙钛矿太阳能电池在制造工艺和稳定性方面的挑战。他们提出了一种新的策略，即通过KCl修饰优化电子传输层的性能，并采用真空蒸发法沉积钙钛矿层，以确保修饰效果的稳定性。此外，他们还采用碳电极替代传统电极材料，构建出一种无需空穴传输层的PSC结构，从而进一步降低了制造成本。这些创新不仅提升了钙钛矿太阳能电池的性能，还为其在实际应用中的推广提供了可行的方案。

未来，研究人员可以进一步探索KCl修饰对其他类型钙钛矿太阳能电池的影响，以验证其普适性。此外，他们还可以研究不同浓度和添加方式的KCl对TiO?和钙钛矿层性能的影响，以寻找最佳的修饰方案。同时，探索其他离子修饰剂的使用，如Cs?、Na?或Li?，也可能为钙钛矿太阳能电池的优化提供新的思路。

在实际应用中，研究人员还可以考虑将这种优化策略与其他技术相结合，以进一步提升钙钛矿太阳能电池的性能。例如，结合新型的界面工程策略或复合材料设计，可能会带来更显著的性能提升。此外，研究如何在不同基底上实现这种优化策略，如柔性基底或透明基底，也将是未来的重要方向。

总之，本研究为钙钛矿太阳能电池的优化提供了重要的技术支持，其创新策略有望推动该技术的商业化进程，并为未来的光伏技术发展开辟新的道路。通过减少制造成本、提高稳定性并优化性能，这种集成方法不仅提升了钙钛矿太阳能电池的竞争力，还为实现更高效、更环保的太阳能电池提供了可行的解决方案。