多功能三维聚合物介导的缺陷钝化技术，实现了高效且稳定的倒置结构无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

《Applied Surface Science》：Multifunctional three-dimensional polymer-mediated defect passivation enabling efficient and stable inverted inorganic CsPbI 2Br perovskite solar cells

本研究采用抗溶剂法引入三重功能聚合物PTHM，有效钝化CsPbI?Br钙钛矿薄膜的表面/晶界缺陷，抑制非辐射复合，提升电池水稳定性和效率至16.17%。经长期测试，未封装器件在40±5%湿度下保持91%初始效率，封装器件在最大功率点跟踪下维持90%效率。该策略为无机钙钛矿太阳能电池性能优化提供了新方法

　　

Xingyu Pu|Maoyuan Zhu|Qian Wen|Lin Yang|Jiabao Yang|Tong Wang

中国泸州646000，泸州职业技术学院智能控制与电子设备应用技术重点实验室

摘要

近年来，无机钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其卓越的热稳定性，已成为钙钛矿光伏领域最有前景的研究方向之一。然而，无机钙钛矿表面/晶界（GBs）上的众多缺陷不仅影响界面电荷传输，还会导致水分渗透，加速钙钛矿的相变，从而限制了PSCs的效率和长期稳定性。在此，我们采用反溶剂法用三维聚合物聚多面体硅氧烷-聚（三氟甲基丙烯酸酯）-b-聚（4'-硝基偶氮苯基丙烯酸酯）（PTHM）对CsPbI₂Br钙钛矿进行改性。PTHM中的多个重复羰基可以与钙钛矿材料相互作用，调节钙钛矿的结晶过程，同时减轻表面/晶界处未配位的Cs⁺和Pb²⁺缺陷，从而抑制非辐射复合。此外，–CF₃基团可以增强钙钛矿薄膜的疏水性。结果表明，经过PTHM改性的倒置无机CsPbI₂Br PSCs实现了16.17%的出色效率。未经封装的PTHM PSCs在40±5%相对湿度下1000小时内仍保持91%的初始效率；而封装的PTHM PSCs在最大功率点跟踪下1000小时内仍保持90%的初始效率。我们的研究为提高倒置无机CsPbI₂Br PSCs的性能提供了一种有效策略。

引言

CsPbI₂Br钙钛矿因其合适的带隙、出色的热稳定性以及作为串联太阳能电池前电池的潜力，已成为一种代表性的无机钙钛矿材料[1]、[2]、[3]、[4]。近年来，报道的倒置CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池（PSCs）的转换效率（PCE）已迅速提升至17.1%[5]。然而，当前的PCE与理论上的Shockley–Queisser效率极限24.75%之间仍存在显著差距[6]。这一差异主要归因于传统溶液法制备的CsPbI₂Br钙钛矿薄膜表面和晶界（GBs）上存在的大量缺陷，这些缺陷不仅损害了CsPbI₂Br PSCs的光电性能，还降低了其稳定性[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。

为了解决这些问题，学者们进行了不懈的努力，并证明反溶剂法是减轻无机钙钛矿薄膜表面/晶界缺陷的有效策略[14]、[15]。基于路易斯酸碱相互作用机制，多种添加剂（包括盐类[16]、[17]、分子[18]、[19]、聚合物[20]、[21]和纳米晶体[5]、[22]）被引入反溶剂体系中，以改善钙钛矿薄膜的性能并扩展反溶剂方法的应用范围。其中，具有优异热稳定性和疏水性的聚合物被广泛用于提升PSCs的性能。Xie等人[23]将聚（甲基丙烯酸酯）（PMMA）引入反溶剂体系来改性CsPbIBr₂钙钛矿薄膜。PMMA中的羰基（C=O）可以与未配位的Pb²⁺相互作用，实现缺陷钝化并抑制非辐射复合。Zhao等人[24]使用疏水性共轭聚合物聚（N-烷基二酮吡咯并噻吩二噻吩[2,3,3–9]噻吩）（DPP-DTT）作为CsPbI₂Br PSC的界面改性层。DPP-DTT通过其氧、硫和氮原子与未配位的Pb²⁺结合，抑制了表面缺陷的形成，实现了15.14%的PCE。此外，DPP-DTT是一种超疏水材料，可以提高钙钛矿薄膜的湿度稳定性。不幸的是，这些聚合物的线性分子结构限制了它们与三维（3D）钙钛矿的相互作用范围，导致钝化效果有限，从而阻碍了器件性能的进一步提升。

在本研究中，我们直接采用了一种多功能三维聚合物聚多面体硅氧烷-聚（三氟甲基丙烯酸酯）-b-聚（4'-硝基偶氮苯基丙烯酸酯）（PTHM，图1a），通过反溶剂法对CsPbI₂Br钙钛矿的表面/晶界缺陷进行钝化，显著提升了PSCs的性能。PTHM中的多个重复C=O基团可以向钙钛矿中的未配位Cs⁺和Pb²⁺捐赠电子，形成多齿交联，不仅优化了钙钛矿的结晶过程，提高了晶粒尺寸，还钝化了相应的表面/晶界缺陷，从而减少了非辐射复合（图1b）。同时，PTHM中的疏水性–CF₃基团可以减缓环境水蒸气对钙钛矿的腐蚀。因此，经过PTHM改性的倒置CsPbI₂Br PSCs实现了16.17%的高效率。此外，PTHM改性还提高了PSC的长期稳定性。在40±5%相对湿度下空气中老化1000小时或在85°C氮气气氛中老化1000小时后，未经封装的PTHM PSCs分别保持了91%和90%的初始效率；而封装的PTHM PSCs在最大功率点跟踪下1000小时内仍保持90%的初始效率。

结果与讨论

PTHM聚合物以高度对称的硅氧立方笼状骨架为核心，由八个由聚（三氟甲基丙烯酸酯）和聚（4'-硝基偶氮苯基丙烯酸酯）组成的长分支构成，每个分支都含有多个功能基团，为缺陷钝化提供了巨大潜力（图1a）。我们首先使用FT-IR光谱分析了PTHM、CsI₂ + PTHM和PbI₂ + PTHM样品，以探究PTHM与钙钛矿之间的化学相互作用（图S1，支持材料）

结论

总之，我们采用了一种多功能三维PTHM聚合物作为高效添加剂，制备出了高性能的倒置CsPbI₂Br PSCs。PTHM聚合物含有多个重复的C=O基团，这些基团不仅与钙钛矿材料相互作用，调节其结晶过程，还减轻了表面/晶界处的未配位Cs⁺和Pb²⁺缺陷，有效抑制了非辐射复合。此外，PTHM上的疏水性–CF₃基团可以提供保护

CRediT作者贡献声明

Xingyu Pu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究，数据管理。Maoyuan Zhu：方法论设计。Qian Wen：软件开发。Lin Yang：概念构思。Jiabao Yang：验证，实验研究。Tong Wang：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了泸州职业技术学院2025年校园级科研项目（2025-LZKY-C02）、泸州智能控制与电子设备应用技术重点实验室的启动项目（ZK202502）以及西安工业大学的研究启动基金（编号109-451125001）的支持。