河南大学李萌、德国亥姆霍兹Antonio Abate及东南大学李桂香NP: 通过战略性界面接触工程稳定高效钙钛矿太阳能电池|精选

论文概览

钙钛矿太阳能电池中的表面钝化可以提高器件效率，但不完全的界面功能化会影响长期可靠性。本文提出了一种战略性界面工程方法，使用七氟丁酸钠完全功能化钙钛矿表面。七氟丁酸钠作为离子屏蔽剂，调节钙钛矿表面的功函数，并增加缺陷形成能，从而改善与电子传输层的界面，减少复合并增强操作中的电子提取。我们发现，七氟丁酸钠功能化的钙钛矿表面促进了均匀致密的C60层的形成，有效阻止离子扩散并稳定器件堆栈。该方法使得p–i–n结构的钙钛矿太阳能电池实现了创纪录的功率转换效率(PCE)为27.02%(认证为26.96%，最大功率点跟踪PCE为26.61%)。在1 cm²的有效面积下，器件的PCE为25.95%。钙钛矿太阳能电池在连续1.200小时的1太阳照射下保持了100%的初始效率。器件还表现出卓越的热稳定性，在85 °C下老化1.800小时后，保持了92%的初始PCE，并在–40 °C至+85 °C之间进行200次热循环后保持了94%的初始PCE。

技术亮点

【资料图】

改进的钙钛矿表面钝化：使用七氟丁酸钠(SHF)有效钝化了钙钛矿表面的缺陷，增强了表面稳定性。SHF处理提高了缺陷形成能，减少了非光活性相，并调节了表面功函数，改善了与电子传输层的界面，提升了电荷提取能力。

器件性能提升：SHF处理的钙钛矿太阳能电池实现了创纪录的功率转换效率(PCE)为27.02%，认证PCE为26.96%。这些器件展现出优越的操作稳定性，在连续1.200小时的1太阳照射下保持了100%的初始效率，并且在85°C下老化1.800小时后，保持了92%的初始PCE，表现出卓越的热稳定性。

抑制离子迁移：SHF处理显著减少了离子迁移，防止了器件内部的离子扩散，这对于维持器件稳定性至关重要。通过飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)数据表明，与对照组相比，SHF处理的器件离子扩散显著减少，从而增强了它们的长期稳定性。

深度解析

SHF功能化钙钛矿表面

为了改善钙钛矿的表面电子性能，我们通过DFT计算研究了钙钛矿的缺陷特性。计算结果显示，PbI终止表面的Pb空位比I空位更容易形成，这表明PbI终止表面不稳定，而FAI终止表面较为稳定。为了增强表面稳定性，我们使用七氟丁酸钠(SHF)对钙钛矿表面进行功能化处理。计算表明，SHF的吸附能显著提高，增强了表面稳定性。SHF分子在钙钛矿表面吸附时，Na+和COO−基团产生局部电荷，通过静电相互作用形成偶极，改变了表面的功函数，验证了偶极效应。SHF处理增强了钙钛矿与电子传输层(ETL)之间的界面电场，提高了PSC的内建电势，从而促进了电荷提取和开路电压(Voc)的提高。X射线衍射(XRD)和小角度入射X射线散射(GIWAXS)表明，SHF处理有助于钙钛矿薄膜的晶体结构稳定性，特别是去除了4H相并改善了表面结构。

界面接触的结构与光电性能

ESC(电子传输层)覆盖钙钛矿表面，其结构受钙钛矿层影响，进而影响器件性能。SEM和AFM图像显示，SHF处理后的钙钛矿表面改善了与ESC的界面接触。接着，我们研究了C60层厚度对ESC结构和光电性能的影响。SHF处理后的器件中，电子能级对齐明显改善，二次电子截止区域的坡度减小，表明SHF处理提高了钙钛矿表面均匀性，促进了C60的更好沉积。C60层的堆积特性通过AFM研究发现，SHF处理的钙钛矿表面上沉积的C60层更致密，而控制组表面有明显的孔隙。SHF层通过降低表面能，促进了C60的均匀沉积。随着C60厚度减小到2纳米，SHF处理组和控制组之间的差异更加明显，表明薄C60层与底层钙钛矿表面的直接接触效果。最终，C60形成了一个相互连接的凝聚层。

载流子动力学与光伏性能

通过稳态光致发光(PL)测量，发现SHF处理显著提高了PL强度，减少了非辐射复合，PL量子产率提高了两倍以上，证明SHF有效增强了钝化作用。SHF处理的器件(钙钛矿/SHF/C60)保持较高的PL量子产率，表明界面损失减少，光电性能提升。瞬态表面光电压(trSPV)测量表明，SHF处理的钙钛矿表现出负的trSPV信号，电子在ESC侧占主导，电荷分离效率提高，电子提取大幅提升。SHF处理的PSCs光电转换效率(PCE)为27.02%，相比未处理器件(PCE为24.81%)大幅提高。SHF处理的器件具有较高的开路电压(Voc)1.197 V和填充因子(FF)86.17%，显示出显著的性能提升。

器件稳定性

根据ISOS-L-1I协议，SHF处理的器件在连续1200小时的1太阳照射下保持了稳定的功率输出，没有PCE下降(图4a)。相比之下，控制组在800小时后，PCE降至初始值的60%。在85°C下进行的热稳定性测试显示，SHF处理的器件在1800小时后保持92%的初始PCE，而对照组仅为52%(图4b)。在-40°C至85°C之间循环200次后，SHF处理的器件保持94%的初始PCE，远高于对照组的57%(图4c)。ToF-SIMS分析显示，SHF处理的器件比对照组大大减少了I−离子的迁移，阻止了离子扩散至银电极并形成AgI，从而减缓了降解过程(图4d、4e、4f)。SHF层通过稳定界面，防止了I−离子的扩散，延长了器件的稳定性(图4g)。SHF还具有高热稳定性，分解温度可达260°C(补充图48)，证明其在长期使用中的有效性(补充图49)。

总结与展望

本研究报告了一种高效且稳定的钙钛矿太阳能电池(PSCs)，通过在钙钛矿和电子传输层(ESC)之间引入全氟化离子屏障，实现了高达27.02%的光电转换效率(PCE)，认证PCE为26.96%(认证的最大功率点跟踪PCE为26.61%)。SHF处理提高了缺陷形成能，消除了非光活性相，并调节了钙钛矿表面的功函数(WF)，有效减少了钙钛矿与C60之间的界面能量偏移。SHF提供的有利表面结构还促进了C60层的生长，形成了更致密的ESC，从而抑制了器件内可移动离子的迁移。在加速老化测试条件下，器件表现出更好的操作稳定性。这些发现为下一代高效率、高稳定性的钙钛矿基光电器件开辟了新路径。

文献来源

Li, G., Zhang, Z., Agyei-Tuffour, B. et al. Stabilizing high-efficiency perovskite solar cells via strategic interfacial contact engineering. Nat. Photon. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01791-1