通过 TMSEs 埋入式界面修饰实现多位点缺陷钝化与离子迁移抑制以增强 CsPbI2Br 钙钛矿太阳能电池性能及其机制

《Materials Today Chemistry》：Multi-site defect passivation and ion migration inhibition enabled by TMSEs buried interface modification to enhance the performance of CsPbI 2Br perovskite solar cells and its mechanism

　　

• TMSEs改性实现了多位点缺陷钝化和离子迁移抑制。
• CH?-SO??基团与SnO?上的Sn??和CsPbI?Br中的Pb2?双向配位。
• (CH?)?Si?基团钝化了SnO?上的羟基缺陷和CsPbI?Br中的I?缺陷。
• 最优3 mg/mL TMSEs改性器件实现了PCE从13.71%提升至15.11%的显著提升。
• 改性器件在25 °C和50%相对湿度下储存60天后仍保持初始PCE的83%。

## 引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）被认为是具有工业化前景的最有前途的下一代光伏技术之一。它们兼具与晶体硅太阳能电池相当的光电转换效率（PCE）、可连续调节带隙的本征特性，以及通过溶液法低成本制备的加工优势。近年来，PSCs已成为光伏领域学术界和产业界共同关注的研究热点[1-7]。

尽管有机-无机卤化物PSCs在光伏研究中展现出卓越性能并受到广泛关注，但该领域仍存在诸多挑战。例如，含有挥发性有机组分的器件容易在高温下退化，同时复合损失和能带不匹配等问题也亟待解决[8-10]。与甲胺铅碘（MAPbI?）和甲脒铅碘（FAPbI?）等有机-无机杂化钙钛矿相比，CsPbI?Br不含挥发性有机阳离子，具有优异的热稳定性[11-13]。同时，CsPbI?Br钙钛矿的带隙约为1.9 eV，非常适合单结和叠层光伏器件[14-17]。此外，CsPbI?Br可以通过溶液旋涂和刮涂等低成本工艺制备，无需昂贵的真空设备，满足工业大规模生产的需求[18]。

在n-i-p结构的CsPbI?Br PSCs中，二氧化锡（SnO?）由于其高电子迁移率、优异的光学透明度和与钙钛矿的良好兼容性，是最广泛使用的电子传输层（ETL）材料。然而，SnO?薄膜表面容易存在大量氧空位和羟基缺陷，这些缺陷充当光生载流子的复合中心，缩短载流子寿命，严重制约器件性能的提升[19-24]。此外，SnO?与CsPbI?Br之间存在一定程度的导带能级偏移，增加了电子从钙钛矿体相向SnO?转移的能量势垒，降低了电荷传输效率，进一步限制了器件光电性能的提升。因此，SnO?/CsPbI?Br埋藏界面的改性和优化尤为关键[25-28]。

迄今为止，针对埋藏界面缺陷钝化、能级排列优化和钙钛矿结晶动力学调控的界面改性工程已成为突破器件效率瓶颈和提升运行稳定性的核心策略，并已应用于高效稳定钙钛矿光伏器件的制备[29-40]。

2026年，Yu等人[32]首次使用A-Ti?C?T?作为SAM（4-PhCz）与ITO衬底之间的桥联层。A-Ti?C?T?可与ITO和SAM分子相互作用以增强界面粘附力，促进更高效的载流子转移，并调控能级排列和钙钛矿结晶动力学。由此，基于A-Ti?C?T?的FA?.??Cs?.??PbI?太阳能电池实现了26.78%的效率并表现出优异稳定性。2025年，Yu等人[33]使用CB-PA改性钙钛矿/SAMs埋藏界面。CB-PA通过与MeO-2PACz形成π-π堆积紧密接触，并与钙钛矿螯合以促进载流子抽取，填充MeO-2PACz的空隙，优化能级排列，钝化缺陷，优化钙钛矿结晶动力学。因此，改性器件获得了25.27%的高效率，显著超过对照器件的22.97%。2026年，Yu等人[34]引入了一种多功能添加剂CMTA，用于调控钙钛矿薄膜结晶动力学和钝化体相缺陷。CMTA通过形成氢键和共价键抑制不利中间相，促进δ到α相转变，钝化缺陷并改善界面排列和载流子传输效率，增强相稳定性并抑制非辐射复合。因此，在空气中制备的冠军钙钛矿太阳能电池达到了24.56%的PCE并表现出突出的长期稳定性。

2023年，Liu等人[35]将PBGH插层改性SnO?/钙钛矿界面。PBGH通过Lewis酸/碱配位有效钝化了SnO?表面Sn悬垂键和O空位的陷阱态，提高了SnO?薄膜的导电性并促进了电子传输。同时，PBGH改性因其与PbI?的强相互作用降低了埋藏界面缺陷密度。因此，PBGH改性PSC的冠军效率显著提升至24.79%。2026年，Liu等人[36]引入MTBH作为SAMs/钙钛矿埋藏界面改性剂以增强倒置PSCs的性能。MTBH通过PO→S-C配位改善SAMs有序性和能级排列，并通过N-H…I?氢键和CO→Pb2?配位钝化碘空位和配位不足的铅缺陷。因此，MTBH改性器件达到了26.29%的冠军PCE（对照器件为23.62%），并表现出出色的运行稳定性。

2025年，Zhi等人[37]将乙胺对甲苯磺酸盐（EATsO）引入n-i-p结构PSCs的PbI?前驱体中。通过阴离子与Sn??和Pb2?的双向配位效应，驱动分子在SnO?/钙钛矿埋藏界面自发自组装，在钙钛矿薄膜形成过程中形成超薄钝化层。这实现了钝化剂在埋藏界面的定向和定量富集，避免了体相残留对钙钛矿结晶的干扰和新缺陷的引入，并实现了PCE提升2.88%。2024年，Zhuang等人[38]将一种油基添加剂蒜素引入n-i-p结构PSCs的SnO?表面以构建埋藏界面改性层。利用其液态和低表面张力特性，实现了SnO?表面针孔和缺陷的全面覆盖、填充和钝化。这解决了传统固态有机钝化层成膜均匀性差以及在极性钙钛矿前驱体溶剂中易溶解和剥离的问题。2024年，Zhou等人[39]引入苯并噻二唑衍生物（BTDTH/BTDOH）作为SnO?/甲脒铅碘（FAPbI?）界面的埋藏界面改性剂。分子中的羧酸基团与SnO?表面的未配位Sn原子配位，有效钝化了SnO?表面的氧空位缺陷。同时，它们调控了SnO?的导带能级，实现了与FAPbI?的能级匹配，加速了界面电子抽取，最终实现了PCE提升1.71%。2024年，Wang等人[40]提出使用一种挥发性杂环化合物2-噻吩乙酸（TPA）作为预嵌入添加剂，通过原位自下而上渗透扩散策略实现了跨层全界面缺陷钝化。最终，TPA处理的碳基CsPbBr? PSCs实现了11.23%的PCE。

本文设计了一种策略，通过使用三甲基硅甲磺酸（TMSEs）构建界面分子桥来改性CsPbI?Br PSCs中ETL与钙钛矿吸光层之间的埋藏界面，这是迄今为止尚未报道的方法。我们系统研究了TMSEs埋藏界面改性对ETL氧空位、能级和电荷传输动力学的影响，以及对CsPbI?Br钙钛矿薄膜的形貌、晶体结构、光吸收、缺陷密度、光学稳定性、室温黑相稳定性、载流子动力学以及器件光电性能和空气稳定性的影响，同时还研究了改性机制，这些内容也未曾报道。

## 材料

玻璃基板，特征为掺氟锡氧化物（FTO），电阻率小于14 Ω/sq，厚度2.2 mm，购自中国武汉金刚Pilkington太阳能技术公司。高纯度碘化铅（PbI?，99%）、碘化铯（CsI，99%）、溴化铅（PbBr?，99%）和SnO?水溶胶溶液购自中国西安p-OLED技术公司。掺杂2,2′,7,7′-四[N,N-二

## 结果与讨论

图1(a)-(f)和图1(g)-(l)分别展示了0-5 mg/mL TMSEs的(AT + HNO?)-SnO?/TMSEs/CsPbI?Br钙钛矿薄膜的FESEM形貌图像及相应粒径统计。原始薄膜（0 mg/mL）致密性/均匀性较差，晶粒细小（平均尺寸650.15 nm）。随着TMSEs浓度从0增加到3 mg/mL，薄膜形貌逐渐优化，平均晶粒尺寸从694.72 nm增至925.32 nm，且分布最为均匀。继续增加至

## 结论

将TMSEs应用于n-i-p PSCs中改性的SnO? ETL/CsPbI?Br埋藏界面，可显著提升器件光电性能和长期运行稳定性。性能提升源于退火过程中TMSEs分子中Si-O键的断裂。CH?-SO??基团中SO键的氧原子与SnO?表面上配位不足的Sn??和CsPbI?Br钙钛矿中的Pb2?形成双向配位锚定，从而

## CRediT作者贡献声明

Ruzhe Gong：撰写初稿，调查研究，数据整理。Min Zhong：审阅与编辑，指导，资源，项目管理，方法论，经费获取，概念化。

## 利益冲突声明

Min Zhong负责修改稿件和撰写回复审稿人的意见。作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

## 致谢

本工作得到了国家自然科学基金[编号：21471140, 21101143]和企业委托科技项目（H221454, H241599）的支持。作者感谢Tang Gao教授提供PL测量，Zhou Shuqing进行XRD强度归一化和补充部分UV相关数据，Pan Fangning收集相关文献、为机理图添加文字、回答问题等。

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