经过化学改性的有机铵盐用于CsPbI3钙钛矿太阳能电池的集成调控

《Carbon Neutralization》：Chemically Tailored Organic Ammonium Salts for Integrated Regulation of CsPbI3 Perovskite Solar Cells

全无机钙钛矿太阳能电池通过卤代苯乙基铵碘盐（X-PEAI）协同调控实现缺陷钝化与偶极层增强的载流子传输优化，提升功率转换效率至19.53%并保持高稳定性。

　　
该研究聚焦于全无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池的优化策略，重点探索卤素取代型苯乙铵碘盐（X-PEAI）在调控钙钛矿薄膜结构和界面性能方面的协同作用机制。通过系统化的实验设计与理论分析，研究团队揭示了卤素原子取代对有机铵盐物化性质的关键影响，并证实氯代苯乙铵碘盐（Cl-PEAI）在提升电池效率和稳定性的方面具有最优性能。

在材料设计层面，研究团队创新性地构建了卤素取代的苯乙铵碘盐（X-PEAI）系列化合物。通过对比H-PEAI、F-PEAI、Cl-PEAI和Br-PEAI的分子结构特征，发现卤素原子的引入显著增强了有机铵盐的极性。特别是Cl-PEAI分子展现出最强的偶极矩，这种极性分子与钙钛矿表面的电荷相互作用机制，为后续的协同调控提供了理论支撑。

实验表明，Cl-PEAI的预处理和后处理工艺能够实现钙钛矿薄膜的协同优化。预处理阶段，Cl-PEAI与CsPbI3前驱体形成中间相（Cl-PEA2PbI4），通过模板效应引导钙钛矿晶格的有序生长。该中间相在后续退火过程中分解，促使CsPbI3晶体尺寸增大至2-3微米，晶界密度降低，形成致密的薄膜结构。同步辐射X射线衍射（GIWAXS）证实，Cl-PEAI处理后的薄膜在（110）晶面方向表现出更明显的择优取向，晶格参数波动范围缩小至±0.02?，结晶完整性显著提升。

界面工程方面，Cl-PEAI分子在钙钛矿/空穴传输层（HTL）界面形成双电层结构。FTIR光谱显示，Cl-PEAI与CsPbI3表面产生强酸碱相互作用：氨基（-NH2）与Pb2?形成配位键，卤素原子（Cl?）与I?产生氢键作用。这种双重作用有效钝化表面悬挂键，缺陷态密度从控制组的1.2×101? cm?33降低至3.8×101? cm?3。时间分辨光致发光（TRPL）测试显示，Cl-PEAI处理后的界面光生载流子寿命延长至8.2ns，较未处理组提升3.2倍，表明非辐射复合被显著抑制。

能带工程实验进一步揭示了Cl-PEAI的优化机理。紫外光电子能谱（UPS）显示，Cl-PEAI引入的偶极层使钙钛矿表面功函数降低0.18eV，与PEAI基的空穴传输材料（如spiro-OMeTAD）形成更陡峭的能带匹配。等效电路模型分析表明，Cl-PEAI处理后的器件界面电荷传输电阻（Rct）提升2.7倍，电荷提取效率提高至89.3%，较传统有机盐处理方案提升15个百分点。

在器件性能方面，Cl-PEAI处理组电池展现出19.53%的峰值转换效率（PCE），较对照组提升9.6%。关键性能参数的优化尤为显著：开路电压（Voc）从1.15V提升至1.18V（+2.6%），短路电流密度（Jsc）达20.26mA/cm2（+0.5%），但摩擦系数（FF）从76.97%跃升至81.70%，这是界面电荷传输效率提升的直接体现。值得注意的是，该优化策略实现了材料改性和工艺处理的协同：预处理阶段通过中间相模板调控晶格生长，后处理阶段则利用偶极分子构建超分子界面，形成"双路径"调控机制。

器件稳定性测试证实了该策略的长效性。在720小时暴露于25%-30%相对湿度的环境中，Cl-PEAI处理组电池的PCE保持率高达92.9%，较对照组（56.9%）提升64个百分点。机理分析表明，Cl-PEAI形成的表面钝化层（厚度约2nm）能有效阻隔氧气和水分子渗透。同步辐射X射线荧光（SR-XRF）谱显示，经Cl-PEAI处理后的薄膜表面Cs/Pb/I原子比例达到1:1:1.3，元素分布均匀性提升40%，进一步抑制了因组分偏移导致的相分离。

该研究突破传统界面修饰的单一调控模式，首次实现有机盐分子在钙钛矿生长和界面修饰的双重功能。通过系统比较不同卤素取代物的效果，发现Cl-PEAI的偶极矩（3.87D）较Br-PEAI（3.12D）和F-PEAI（2.85D）提升35%，这种极性差异导致Cl-PEAI在分子吸附能（Ead=4.2eV）和氢键形成数量（每个Cl-PEAI分子可形成2.3个氢键）方面均优于其他组份。密度泛函理论（DFT）计算显示，Cl取代的PEAI分子在PbI6八面体表面形成稳定的氢键网络（结合能-1.85eV），较H-PEAI的0.92eV提升101%，这种增强的分子间作用力有效抑制了表面缺陷态的形成。

在工艺简化方面，研究创新性地采用"一用两治"的集成处理策略：同一批X-PEAI同时完成钙钛矿前驱体的预反应和成膜后的后处理。该工艺使传统需要两步法（先前处理再后处理）的复杂流程简化为单一处理步骤，设备成本降低60%，处理时间缩短至2分钟。实验数据显示，经Cl-PEAI处理后的薄膜缺陷密度比单独前处理或后处理方案分别降低42%和38%，证明协同处理对缺陷钝化的叠加效应。

该成果为全无机钙钛矿电池的产业化提供了重要技术路径。研究团队通过系统研究X-PEAI系列化合物的性能关联性，建立了分子取代基-薄膜质量-器件性能的构效关系模型。特别值得注意的是，Cl-PEAI处理后的钙钛矿薄膜表面能带呈现梯度分布（表面能带差0.32eV，界面处0.18eV），这种独特的能带结构设计有效平衡了载流子提取效率与界面电荷复合，为全无机钙钛矿电池的界面工程提供了新思路。

未来研究可进一步探索其他卤素取代物的协同效应，以及该策略在叠层电池中的应用潜力。此外，通过引入纳米结构载体（如SiO2纳米颗粒）构建分级界面钝化体系，有望进一步提升器件稳定性。该研究不仅验证了卤素取代有机铵盐在钙钛矿薄膜改性中的有效性，更开创了"分子工程+界面调控"的协同优化范式，为下一代高效稳定的全无机钙钛矿太阳能电池研发提供了重要理论依据和实践指导。