通过埋藏式界面修饰降低钙钛矿太阳能电池的开路电压损耗，使其效率超过25.8%

《Carbon Neutralization》：Buried Interface Modification for Reduced Open-Circuit Voltage Loss in Perovskite Solar Cells With Efficiency Exceeding 25.8%

钙钛矿太阳能电池通过SnO?界面修饰提升性能：钾三氟甲磺酸（TFSK）作为多功能界面修饰剂，通过钝化SnO?表面氧空位和羟基缺陷，同时与钙钛矿中的Pb2?形成Lewis酸碱键，与FA?形成氢键，显著抑制非辐射复合。TFSK还调控PbI?薄膜形貌为多孔结构，促进高结晶性FAPbI?薄膜形成，优化能级排列并减少界面电荷积累。器件效率达25.82%，开路电压1.19 V，电压损失仅0.341 V，且湿度、热稳定性显著提升。

　　在近年来的太阳能电池研究中，铅基钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电转换效率和易于溶液加工的特性而受到学术界和工业界的广泛关注。尽管铅基钙钛矿材料在效率方面表现出色，但其稳定性问题仍然是制约其商业化应用的关键因素之一。其中，埋藏界面（buried interface）的缺陷与不匹配是导致非辐射复合、降低效率以及影响长期稳定性的主要原因。为了解决这些问题，研究者们不断探索新的界面修饰策略，以优化电子传输层（ETL）与钙钛矿层之间的相互作用，从而提升整体器件性能。

在这一背景下，研究人员提出了一种利用多功能小分子——三氟甲磺酸钾（TFSK）作为界面修饰材料的新方法。TFSK是一种含有钾离子（K?）和三氟甲磺酸根（CF?SO??）的化合物，其分子结构在文献中有所描述。通过将TFSK引入CBD-SnO?/钙钛矿界面，研究团队成功地改善了SnO?电子传输层的表面缺陷和钙钛矿薄膜的结晶质量，从而显著提升了器件的光电性能和稳定性。具体而言，TFSK能够有效钝化SnO?表面的氧空位（O?）和羟基（O?）缺陷，同时通过与钙钛矿中未配位的Pb2?发生路易斯酸碱相互作用，以及通过氢键作用与甲脒阳离子（FA?）相互作用，从而抑制非辐射复合，增强界面电荷传输效率。

此外，TFSK的引入还改变了PbI?的形貌。经过TFSK处理后，PbI?薄膜呈现出更加松散和多孔的结构，这有助于后续的铵盐渗透，从而促进钙钛矿薄膜的充分反应，形成高质量的FAPbI?结构。同时，K?离子在钙钛矿薄膜中的扩散作用有助于调节晶格结构，减少界面电荷聚集，从而有效缓解器件的迟滞效应（hysteresis）。这些改进措施共同作用，使得基于SnO?/TFSK界面的PSCs在小尺寸器件中实现了高达25.82%的认证效率，同时保持了较高的开路电压（1.19 V）和极小的电压损失（0.341 V），并且几乎不存在迟滞现象。更进一步，经过2000小时的氮气环境中存储，该类器件的初始效率仍能保留88.4%；在相对湿度为25%±5%的空气中存储1000小时后，效率保持在89.7%；而在85°C的热稳定性测试中，目标器件也展现出良好的性能，保持了80.4%的初始效率。

在实验过程中，研究人员采用了一系列表征手段，如X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等，对TFSK在界面中的作用机制进行了深入研究。XPS测试结果表明，TFSK分子成功锚定在SnO?表面，并通过其磺酸基团（–SO??）有效钝化了表面缺陷。同时，FTIR分析显示，TFSK与SnO?之间存在明显的相互作用，这种作用不仅改变了S=O键的振动频率，还对钙钛矿的结晶过程产生了积极影响。SEM图像进一步揭示了TFSK处理后钙钛矿薄膜的结构变化，显示出更均匀、更大的晶粒尺寸，以及更少的晶界，这些因素均有利于减少非辐射复合，提高电荷传输效率。

在电学性能方面，研究人员通过电流–电压（J–V）曲线、外部量子效率（EQE）以及稳定性测试等手段，全面评估了TFSK修饰后的器件性能。测试结果表明，TFSK修饰显著提升了器件的开路电压、填充因子和短路电流密度，同时有效降低了电压损失。在稳定性方面，TFSK修饰的器件在氮气、湿度和高温环境下均表现出优于对照组的性能，这主要归因于TFSK对钙钛矿晶格结构的稳定作用，以及其表面疏水性对水分渗透的抑制效果。例如，在高湿度条件下（RH ~80%），TFSK修饰的钙钛矿薄膜显示出更慢的降解速度，这表明其在潮湿环境下的稳定性得到了显著增强。

从更深层次来看，TFSK在界面修饰中的作用机制涉及多个层面。首先，其分子结构中的磺酸基团（–SO??）能够与SnO?表面的氧空位和羟基发生相互作用，从而降低表面缺陷密度，提升电子传输效率。其次，TFSK分子中的三氟甲磺酸根能够通过氢键与钙钛矿中的FA?发生相互作用，有助于稳定晶格结构，减少晶格畸变，进而降低非辐射复合的发生概率。此外，K?离子的引入能够优化钙钛矿的结晶过程，促进晶格中碘离子（I?）的稳定，从而减少离子迁移带来的性能损失。这种多方面的协同作用，使得TFSK不仅能够提升器件的光电性能，还能增强其长期运行的稳定性。

通过上述研究，TFSK的引入为解决钙钛矿太阳能电池中埋藏界面缺陷问题提供了新的思路。其通过钝化表面缺陷、优化能量级匹配、改善界面电荷传输以及增强材料稳定性，显著提升了PSCs的效率和耐用性。这一成果不仅为钙钛矿太阳能电池的进一步优化提供了理论支持，也为未来的商业化应用奠定了基础。此外，该研究还揭示了小分子界面修饰在提升钙钛矿太阳能电池性能方面的重要潜力，为后续相关研究提供了参考和启发。

综上所述，这项研究通过引入TFSK作为多功能界面修饰材料，成功解决了SnO?电子传输层与钙钛矿层之间的界面问题。其作用机制涵盖了表面钝化、能量级调节、形貌优化以及离子迁移的抑制等多个方面。这些改进措施共同作用，显著提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。实验结果表明，TFSK修饰的器件在小尺寸下实现了25.82%的高效率，而在大尺寸（1 cm2）下也达到了24.19%的效率，同时表现出良好的环境适应能力。这不仅证明了TFSK在提升PSCs性能方面的有效性，也表明其具有良好的可扩展性和应用前景。

此外，这项研究还对TFSK的修饰效果进行了系统的分析，包括其对界面电荷传输、非辐射复合以及器件迟滞现象的影响。通过电化学阻抗谱（EIS）和空间电荷限制电流（SCLC）测试，研究人员进一步确认了TFSK在降低界面电荷复合和提升电荷传输效率方面的优势。同时，通过瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测试，验证了TFSK在抑制非辐射复合、提升开路电压和填充因子方面的显著效果。这些实验数据为TFSK作为钙钛矿太阳能电池界面修饰材料的可行性提供了充分的证据。

总体而言，这项研究通过引入TFSK这一多功能小分子材料，成功解决了钙钛矿太阳能电池中埋藏界面存在的缺陷和不匹配问题。其作用机制不仅限于表面钝化，还涉及能量级优化、晶格稳定以及离子迁移的控制等多个方面。这种多维度的界面修饰策略为提升钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性提供了新的方向，同时也为未来进一步优化钙钛矿材料体系和器件结构提供了重要的理论依据和实验指导。随着对TFSK作用机制的深入理解，其在钙钛矿太阳能电池领域的应用前景将更加广阔，有望推动该技术向更高效率、更长寿命的方向发展。