混合锡铅及全钙钛矿叠层太阳能电池中离子的协同固定策略：提升性能与稳定性的关键突破

为解决低带隙（LBG）混合锡铅（Sn?Pb）钙钛矿太阳能电池（PSCs）缺陷密度高、离子迁移导致滞后等问题，研究人员开展了以肼盐酸盐（HM）作为体钝化剂和乙二胺二碘化物（EDADI）作为表面锚定剂协同钝化的研究，制备出高效稳定的 LBG PSCs 和全钙钛矿叠层太阳能电池（TSCs），为该领域发展提供新方向。

　　

研究背景

在太阳能电池的研究领域，低带隙（LBG）混合锡铅（Sn?Pb）钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为全钙钛矿叠层太阳能电池（TSCs）的底部子电池，受到了广泛关注。然而，它却面临着诸多挑战。首先，Sn²⁺容易被氧化，这会引发缺陷的形成，增加非辐射复合损失，就像给电池内部埋下了 “隐患”，影响其性能。其次，锡基钙钛矿不受控制的结晶过程，使得薄膜表面不均匀，降低了载流子扩散长度，进而影响电池的光电转换效率。

同时，表面缺陷钝化策略虽然是解决高缺陷密度问题的重要途径，但传统使用的乙二胺（EDA）或乙二胺二碘化物（EDADI）等方法，会引入离子迁移问题。比如，富含碘的 EDADI 会在钙钛矿表面引入过多 I^–离子，导致离子迁移，最终造成器件失效。在铅基 PSCs 中，虽然卤素键合可抑制离子迁移，但在 Sn?Pb PSCs 和全钙钛矿 TSCs 中，对离子迁移的研究还远远不够。因此，寻找一种有效的策略来解决这些问题迫在眉睫。

为了解决上述难题，苏州大学的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们提出了一种独特的协同策略，将肼盐酸盐（HM）作为体钝化剂，EDADI 作为表面锚定剂，对体相和界面缺陷进行协同钝化。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为混合锡铅及全钙钛矿叠层太阳能电池的发展带来了新的希望。

研究方法

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过精确称量和混合各种化学物质，制备了 LBG Sn-Pb (FASnI₃)_0.6(MAPbI₃)_0.4和宽禁带（WBG）FA_0.8Cs_0.2 Pb(I_0.6Br_0.4)₃钙钛矿前驱体溶液 。在器件制备上，采用了旋涂、退火、热蒸发等一系列工艺，制作了 LBG PSCs、WBG PSCs 以及 2-T 全钙钛矿 TSCs。在表征测试阶段，运用了多种测试技术，如通过电流 - 电压（J-V）曲线、外部量子效率（EQE）光谱测量器件的光电性能；利用时间分辨光致发光（TRPL）、时间分辨微波电导率（TRMC）等技术研究载流子动力学和迁移率等。

研究结果

抑制 Sn?Pb 钙钛矿中离子迁移的机制

研究人员制备了具有倒置结构的 LBG Sn?Pb PSCs，以 HM 作为体钝化剂，EDADI 作为表面锚定剂。实验发现，单独使用 EDADI 虽然能提高开路电压（V_OC）和填充因子（FF），但会增加滞后现象，这是因为引入了过多易迁移的 I^–离子。通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）等测试手段发现，HM 中的 N₂H₅⁺离子分布在整个薄膜中，且能通过氢键与 I^–离子结合，Cl^–离子则填充碘空位，从而有效减缓离子迁移，提升了离子迁移的活化能（E_A）。综合来看，HM 有效缓解了 EDADI 引起的离子迁移问题，降低了滞后指数，提高了器件性能。

Sn?Pb 钙钛矿薄膜的表征

EDADI 和 HM 的引入对 Sn?Pb 钙钛矿薄膜的光学性质影响较小，但显著改善了其表面形貌和结晶度。EDADI 处理后的薄膜表面更光滑，HM 掺杂的薄膜晶粒尺寸增大、表面更平整，二者协同作用进一步增强了薄膜的结晶度。同时，研究发现它们能有效抑制 Sn²⁺的氧化，通过 X 射线光电子能谱（XPS）等分析可知，处理后的薄膜中 Sn⁴⁺的比例显著降低，化学稳定性得到提高。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振光谱（NMR）等测试表明，HM 与钙钛矿之间存在相互作用，形成了氢键和配位键，影响了薄膜的电子性质。

钙钛矿薄膜和器件的光电性质

优化后的钙钛矿薄膜通过光致发光（PL）映射显示出更亮且更均匀的 PL，表明缺陷减少，辐射复合增加。稳态 PL 光谱和 TRPL 测试结果显示，EDADI + HM 处理的薄膜具有最高的 PL 峰值强度和最长的载流子寿命，有效降低了非辐射复合和缺陷密度，提高了载流子迁移率。通过空间电荷限制电流（SCLC）测量发现，EDADI 和 HM 协同处理后，陷阱密度显著降低。此外，研究不同 PSCs 的开路电压（V_OC）和短路电流密度（J_SC）与光强的关系发现，EDADI + HM 处理的器件具有最低的理想因子和最高的 α 值，表明其具有更低的 Shockley-Read-Hall（SRH）复合和空间电荷积累，二极管质量更好。

LBG PSCs 和全钙钛矿 TSCs 的性能

制备的 LBG PSCs 在 EDADI 后处理和 HM 掺杂的协同作用下性能最佳，外部量子效率（EQE）积分得到的 J_SC值与 J-V 测量结果相符，平均光电转换效率（PCE）显著提高，滞后现象明显减少，稳定性也得到提升。将优化后的 LBG PSCs 与 WBG PSCs 集成制备全钙钛矿 TSCs，其中 HM + EDADI 处理的 TSC 表现最佳，PCE 达到 28.55%（认证效率为 28.31%），滞后指数低至 0.73%，两个子电池的电流密度匹配良好，未封装的 TSC 在最大功率点（MPP）跟踪 700 小时后仍能保持初始 PCE 的 90%，稳定性优异。

研究结论与讨论

本研究成功实现了在 LBG Sn–Pb PSCs 中，通过 EDADI 后处理和 HM 添加的协同策略，解决了高缺陷密度和滞后问题。HM 中的质子化 N₂H₅⁺与 I^–形成氢键，Cl^–填充 I^–空位，有效抑制了离子迁移，减轻了 EDADI 引起的滞后现象。同时，该协同方法显著抑制了 Sn²⁺氧化，降低了陷阱密度，调控了 Sn?Pb 钙钛矿薄膜的结晶过程。最终，LBG PSCs 的 PCE 达到 23.21%，全钙钛矿 TSCs 的 PCE 高达 28.55% 且滞后现象可忽略不计。这一研究成果为解决混合锡铅钙钛矿太阳能电池的关键问题提供了有效途径，推动了全钙钛矿叠层太阳能电池的发展，在太阳能电池领域具有重要的理论意义和实际应用价值。