文章概述

本文針對倒置鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦與C60界面存在的嚴重非輻射復合和載流子傳輸效率低下的問題，設計并合成了一種多功能有機銨鹽分子PMEAI作為界面層。該分子的創新之處在于其獨特的平行于鈣鈦礦表面的水平排列方式，這種取向不僅能夠同時鈍化相鄰的鉛和碘空位缺陷，更重要的是誘導了界面內建電場的反轉，使其方向從C60指向鈣鈦礦。此舉極大地促進了電子提取并抑制了界面復合。同時，水平取向帶來的極低分子空間位阻保障了載流子的高效傳輸。基于PMEAI優化的冠軍器件實現了26.7%的光電轉換效率，認證效率達25.84%。此外，反向電場還能有效抑制銀電極離子的遷移，使器件在ISOS-L-2和ISOS-D-1測試標準下展現出卓越的操作穩定性。

創新點分析

【資料圖】

1)提出了分子取向工程誘導界面電場反轉的機制。通過設計具有雙銨鹽末端的PMEAI分子，使其以水平取向吸附于鈣鈦礦表面，從而將鈣鈦礦/C60界面的內建電場方向從不利于電子傳輸的反向扭轉，從根本上優化了載流子動力學。

2)實現了低位阻缺陷鈍化與高效電荷傳輸的協同。PMEAI的水平平行排列在實現雙位點有效鈍化鉛、碘空位缺陷的同時，最大限度地減少了傳統鈍化層因垂直排列產生的空間位阻，解決了提升開路電壓與犧牲填充因子和短路電流密度之間的矛盾。

3)賦予了界面層抑制離子遷移的功能。由PMEAI誘導的反向內建電場不僅助力性能提升，還構筑了一道抑制銀離子從電極向鈣鈦礦層遷移的能量壁壘，結合其致密的表面覆蓋，顯著增強了器件的長期穩定性。

通過靜電勢分布圖顯示PMEAI的兩個銨基團均呈現顯著正電勢，具備與鈣鈦礦八面體中相鄰碘離子進行雙位點配位的潛力。密度泛函理論計算進一步量化了三種分子在垂直和平行兩種吸附取向下的吸附能。結果表明，PMEAI表現出強烈的平行吸附傾向，其平行與垂直吸附能之差為顯著的負值，而PEAI則傾向于垂直吸附。這種熱力學驅動的平行吸附取向是PMEAI能夠最小化界面位阻并實現后續界面改性的基礎。分子的熱穩定性也滿足器件長期運行的要求。

Figure 2通過實驗系統表征了鈍化分子對鈣鈦礦薄膜理化性質及光電性能的影響。X射線衍射譜證實鈍化處理未引發新相。X射線光電子能譜揭示了PMEAI與鈣鈦礦中鉛和碘的顯著電子相互作用，表明其有效的缺陷鈍化作用。基于紫外光電子能譜等數據構建的能級圖顯示，PMEAI處理誘導產生了一個由C60指向鈣鈦礦的內建電場，這與開爾文探針力顯微鏡測得的表面電勢變化相互印證。穩態和時間分辨光致發光光譜表明，PMEAI處理的薄膜具有最強的發光強度和最長的載流子壽命，證明其最優的缺陷鈍化和非輻射復合抑制能力。原子力顯微鏡還顯示PMEAI使薄膜表面更平整。

Figure3深入探究了PMEAI的鈍化機理及其對器件穩定性的提升作用。密度泛函理論計算表明，PMEAI鈍化后碘空位和鉛空位的形成能顯著升高，說明其能有效抑制界面缺陷的產生。光致發光mapping圖像顯示PMEAI處理后的薄膜發光強度更高且分布更均勻，從實驗上證實了其出色的缺陷鈍化效果。飛行時間二次離子質譜分析提供了關鍵證據，表明PMEAI界面層能有效抑制銀離子從電極向鈣鈦礦有源層的遷移，其效果優于對照組和PMAI組。這歸因于PMEAI水平取向形成的致密覆蓋層以及其誘導的反向內建電場對銀離子遷移的靜電排斥作用，共同保障了器件的長期穩定性。

Figure 4冠軍器件在反向掃描下獲得了26.7%的光電轉換效率，其開路電壓、短路電流密度和填充因子均優于對照組。穩態功率輸出測試確認其穩態效率達26.01%。外量子效率積分電流與電流-電壓曲線結果吻合。該策略具有良好的普適性，在面積擴大到1平方厘米的器件上仍能保持24.5%的效率，并且應用于寬帶隙鈣鈦礦電池時也能將效率從20.8%提升至23.0%。更重要的是，器件穩定性測試結果極為突出，未封裝器件在氮氣環境下65攝氏度老化1500小時后仍能保持97%的初始效率，封裝器件在室內環境1344小時后效率幾乎無衰減，顯著優于對照組。

文章來源

https://pubsrscorg.accproxy.lib.szu.edu.cn/en/Content/ArticleLanding/2025/EE/D5EE02667A