基于氢键双钝化策略实现高效稳定钙钛矿太阳能电池的界面工程研究

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)中界面缺陷和有机阳离子流失导致的性能衰减问题，研究人员通过引入三氟乙酸钾(KTFA)对SnO2电子传输层(ETL)进行双钝化处理。研究发现F元素与钙钛矿中FA+形成N-H…F氢键抑制离子迁移，同时提升SnO2晶格氧比例。最终器件效率从21%提升至23.05%，并在1000小时湿度测试后保持90%初始效率，为界面工程提供了新思路。

　　

在新能源材料领域，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其26.7%的创纪录转换效率备受关注，但界面缺陷和有机组分挥发仍是制约其商业化的关键瓶颈。传统SnO₂电子传输层(ETL)存在氧空位和羟基缺陷，而钙钛矿晶界处的离子迁移会加速性能衰减。针对这一"双重难题"，湖北大学林良友团队创新性地提出氢键介导的双钝化策略，相关成果发表在《Next Materials》上。

研究采用X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(¹H NMR)等技术，通过空间电荷限制电流(SCLC)和电化学阻抗谱(EIS)评估器件性能。

【结果与讨论】

1. 1.

   双钝化机制验证：FTIR显示3420 cm^-1处N-H键红移至3400 cm^-1，¹H NMR中FAI的化学位移分裂为8.96/8.65 ppm，证实N-H…F氢键形成。XPS显示SnO₂/KTFA的Sn 3d结合能正移0.4 eV，晶格氧比例从65.09%提升至72.12%。

2. 2.

   薄膜性能提升：XRD显示(110)晶面衍射峰增强，SEM显示晶界缺陷减少。接触角测试表明KTFA处理使SnO₂表面能增加，促进钙钛矿均匀成核。

3. 3.

   电荷动力学优化：TRPL显示平均载流子寿命从88.26 ns缩短至69.85 ns，SCLC测得陷阱密度降低43%。UPS证实KTFA使SnO₂费米能级上移0.15 eV，与钙钛矿能级更匹配。

4. 4.

   器件性能突破：冠军器件效率达23.05%(对照21.20%)，Voc提升至1.13 V，滞回指数从0.0509降至0.0298。湿度稳定性测试显示1000小时后效率保持率高达90%。

该研究通过分子水平设计实现了"一石三鸟"：F元素既钝化SnO₂氧空位，又通过氢键锚定有机阳离子，同时优化能级排列。提出的KTFA双钝化策略为开发高效稳定PSCs提供了普适性方法，其界面工程思路可拓展至其他光电器件领域。