NaCl后处理SnO2电子传输层实现高效稳定钙钛矿太阳能电池

《Solar RRL》：Enhancing Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells via NaCl Post-Treatment of SnO2 Electron Transport Layers

　　

氯化钠（NaCl）后处理被用作一种简单有效的策略，用以工程化SnO₂电子传输层（ETL），从而实现高性能钙钛矿太阳能电池。通过在相同工艺条件下直接比较NaCl与KCl后处理，系统研究了阳离子依赖效应对SnO₂/钙钛矿界面的影响。经NaCl处理的SnO₂表面表现出改善的润湿性，有利于钙钛矿前驱体溶液的均匀铺展，并促进高质量钙钛矿薄膜的形成。与KCl处理相比，NaCl处理导致更低的表面粗糙度、改善的薄膜均匀性、增强的界面电荷提取以及抑制的界面复合。光学和光致发光分析揭示了NaCl处理器件中增强的光学透过率和更有效的载流子动力学。因此，优化后的钙钛矿太阳能电池实现了冠军功率转换效率25.99%（J_sc?=?26.13?mA?cm^?2，V_oc?=?1.178?V，FF?=?84.43%），而KCl处理器件为24.11%。此外，NaCl处理器件表现出显著改善的暗态储存稳定性，在氮气气氛中保持其性能超过1000小时。这些结果表明，NaCl后处理提供了一种实用且有效的界面工程策略，可同时提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

**论文解读：NaCl后处理SnO₂电子传输层实现高效稳定钙钛矿太阳能电池**

**一、研究背景与问题**

随着RE100和CF100等全球能源转型倡议的推进，可再生能源技术的大规模部署对实现碳中和至关重要。在各类可再生能源技术中，光伏因其资源丰富和可规模化发电能力而被视为关键解决方案。卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其快速提升的功率转换效率（PCE）、低成本溶液加工性、可调带隙和低激子结合能，成为最具前景的下一代光伏技术之一。早期PSCs受染料敏化太阳能电池（DSSCs）启发，采用介孔TiO₂作为电子传输层（ETL）。尽管介孔TiO₂能提供高效电子传输和大界面面积，但其高温烧结（>450°C）要求限制了柔性基板兼容性，增加了制造成本和能耗，阻碍了实际应用。为克服这些限制，平面器件结构因低温加工和简化制备而备受关注，其中平面n–i–p构型因高效率及大面积模块化制造兼容性被广泛研究。在该结构中，ETL不仅提供电子传输路径，还控制界面电荷提取、抑制非辐射复合、优化能级排列并影响长期稳定性。SnO₂因其高电子迁移率、优异光学透明度、合适能级和良好热化学稳定性而被广泛采用。SnO₂ ETL可通过溅射、原子层沉积（ALD）、旋涂和化学浴沉积（CBD）等技术制备，其中CBD-SnO₂因低加工温度、均匀致密成膜、可扩展至大面积和柔性基板以及成本效益而备受青睐。然而，溶液加工的SnO₂表面不可避免地存在氧空位、残余羟基和吸附杂质等界面缺陷，这些缺陷可作为陷阱态，诱导界面复合，降低PSCs效率和稳定性。因此，表面改性和后处理策略被广泛探索，其中碱金属卤化物处理（如KCl后处理）已被报道可有效调节SnO₂表面性质、改善钙钛矿成膜并提升器件性能。在此基础上，研究人员提出NaCl后处理作为一种更简单实用的策略，以进一步优化SnO₂/钙钛矿界面。

**二、研究内容与结论**

本研究系统比较了NaCl和KCl后处理对CBD-SnO₂ ETL及其对钙钛矿成膜、界面性质和器件性能的影响。研究人员发现，与KCl处理相比，NaCl处理显著改善了SnO₂表面的润湿性，降低了表面粗糙度，促进了钙钛矿薄膜的均匀致密生长和晶粒尺寸增大。X射线衍射（XRD）表明NaCl后处理未引起钙钛矿薄膜的相变，同时保持良好结晶度。X射线光电子能谱（XPS）确认了NaCl成功修饰SnO₂表面。光学表征显示NaCl处理提高了SnO₂的透过率和钙钛矿薄膜的吸收。时间分辨光致发光（TRPL）和稳态光致发光（PL）分析揭示NaCl处理器件具有更快的载流子提取和更高质量钙钛矿薄膜。最终，优化后的器件实现了25.99%的冠军PCE（J_sc=26.13 mA cm^?2，V_oc=1.178 V，FF=84.43%），显著优于KCl处理器件的24.11%。同时，NaCl处理器件在氮气暗态储存1000小时后仍保持性能，并表现出改善的运行稳定性和热稳定性。该研究证明NaCl后处理是一种简单、有效且可扩展的界面工程策略，可同时提高PSCs的效率和稳定性，为高性能钙钛矿光伏技术提供了实用路径。

**三、关键技术与方法**

研究人员采用了化学浴沉积（CBD）法制备SnO₂电子传输层，具体前驱体包含尿素、盐酸、巯基乙酸和SnCl₂·2H₂O，在85°C下沉积6小时。对于ETL表面改性，分别将3 mg mL^?1的KCl或NaCl水溶液旋涂于SnO₂薄膜上，并在120°C热处理15分钟。钙钛矿前驱体溶液采用FAPbI₃和MACl溶于DMF/DMSO混合溶剂，通过反溶剂法旋涂制备。器件采用n–i–p结构，以Spiro-OMeTAD为空穴传输层，热蒸发Au为电极。表征手段包括接触角测量、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、XRD、XPS、紫外-可见光谱、TRPL/PL、外量子效率（EQE）、电化学阻抗谱（EIS）和暗态J–V测试。所有器件在环境条件（25°C，约25%相对湿度）下制备。

**四、研究结果**

**2.1 表面改性与界面质量提升**
接触角测量表明，NaCl处理的SnO₂表面接触角从KCl处理的42.35°显著降至23.60°，而未处理样品为51.30°，证明NaCl处理显著改善表面润湿性。这种改善归因于Na⁺较小的离子半径和较高的电荷密度。AFM显示NaCl处理的SnO₂表面RMS粗糙度从37.96 nm降至30.55 nm，表明表面均匀性提高。SEM图像显示NaCl处理上沉积的钙钛矿薄膜更致密，晶粒明显增大，粒度分布分析证实其平均晶粒尺寸更大。XRD显示NaCl处理不引起钙钛矿相变，维持良好结晶度。XPS确认KCl和NaCl处理分别成功引入K⁺和Na⁺离子，且NaCl处理样品的Cl 2p信号更强，表明成功实现表面修饰。

**2.2 光学性质与电荷动力学**
UV–vis透过光谱显示NaCl处理的SnO₂在可见光区透过率略有提高，归因于改善的薄膜均匀性和减少的光散射。钙钛矿吸收光谱显示NaCl处理样品在350–550 nm波长范围吸收增强，而吸收边无明显变化，表明改善源于薄膜覆盖率和形态均匀性而非电子结构改变。TRPL测量显示NaCl处理器件的PL衰减明显缩短，表明载流子消耗更快。结合增强的稳态PL强度，加速的衰减归因于SnO₂/钙钛矿界面高效的电荷提取而非非辐射复合增加。这些互补结果证明NaCl处理同时改善了钙钛矿薄膜质量和界面电荷转移特性。

**2.3 器件性能提升**
NaCl处理器件获得25.99%的冠军PCE，显著高于KCl处理器件的24.11%，且V_oc和FF同时提高，表明电荷提取增强和界面复合抑制。EQE测量证实NaCl处理器件在整个光谱范围具有高量子效率，积分J_sc与J–V特性一致。EIS显示NaCl处理器件具有更小的半圆，表明电荷转移电阻（R_ct）降低。暗态J–V曲线显示NaCl处理器件漏电流更低，进一步支持改善的电学特性。此外，NaCl处理器件在运行中保持了更好的性能稳定性，并在暗态储存1000小时和85°C热应力（ISOS-D2条件）下均表现出优于KCl处理的稳定性。

**五、讨论与结论**

研究表明，NaCl后处理主要通过改善CBD-SnO₂的表面润湿性和界面能，促进高质量钙钛矿薄膜形成和改进界面接触质量，而非直接的化学钝化作用。该策略无需复杂工艺或高温处理，兼容低温溶液加工，易于集成到标准器件制备流程中。研究结论强调，通过界面性质调制同时提高PSCs效率和稳定性是可行的，NaCl后处理为高性能、可规模化钙钛矿光伏技术提供了一条有前景的实用路径。