【复材前沿】华中科技大学团队在Nature Energy发表研究，突破倒置钙钛矿太阳能电池效率瓶颈

研究背景

2012年首篇稳定固态钙钛矿太阳能电池研究报告发布后，该技术因制备成本低、载流子扩散长度长、迁移率高等优势备受瞩目。近年来，倒置（p-i-n）结构电池凭借光电转换效率、稳定性及叠层兼容性等方面的突出表现，成为研究热点，商业化潜力巨大。但经认证的准稳态效率超26%的倒置电池仍较为少见，核心瓶颈在于钙钛矿与电荷传输层界面处难以避免的非辐射复合损失。尽管空穴传输材料的发展有效抑制了埋底界面的非辐射复合，推动倒置电池性能在近两年快速提升，但钙钛矿与电子传输层界面的非辐射复合问题更为严重，这可从两者界面样品光致发光量子产率显著降低得到印证。现有表面钝化策略中，铵基配体在光热应力下易去质子化产生空位缺陷，二维钙钛矿可能阻碍电荷传输，因此亟需探索更先进的钝化路径实现突破。

本文亮点

目前倒置钙钛矿太阳能电池认证准稳态效率突破26%的报道较少，主要受界面能级失配和缺陷介导的非辐射复合影响。本研究提出表面相变策略，通过在二碘哌嗪异丙醇溶液中加入微量N-甲基吡咯烷酮（NMP）解决上述问题。实验表明，后处理时NMP能在钙钛矿表面诱导独特结晶路径，从溶剂化中间相直接转变为α相钙钛矿，跳过传统的δ中间相到α相转化过程，提升表面结晶度并减少接触损耗。同时，NMP可增强二碘哌嗪与钙钛矿的相互作用，优化界面能带对齐。基于此，单结电池、迷你组件及全钙钛矿叠层器件的认证转换效率分别达到26.87%（稳态）、23.00%和29.08%。在65℃环境空气、1太阳光照下进行最大功率点跟踪，器件2500小时后仍保持初始效率的96%。

图文解析

图1| 异丙醇-NMP体系对钙钛矿表面的作用机制

要点：

1.二碘哌嗪在弱极性异丙醇（偶极矩1.66 D）中溶解度低，限制了钝化效果。本研究在二碘哌嗪-异丙醇溶液中引入微量极性非质子溶剂（体积比1:200），旨在溶解钙钛矿薄膜超薄表层实现表面相变。尝试典型母溶剂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）时，含DMF的溶液对器件平均效率提升有限，可能因钙钛矿表面形成δ相；而添加异丙醇-二甲亚砜、异丙醇-NMP等体系时效率显著提升，其中异丙醇-NMP组合平均效率超26.5%。

2.扫描电镜图像显示，含极性非质子溶剂的二碘哌嗪表面钝化可增强钙钛矿表面重构，配位溶剂处理薄膜中的结节可能源于PbI2的重新分布，有助于改善非辐射复合特性。稳态光致发光测试中，异丙醇-NMP后处理的薄膜发光强度最强。根据Gutmann供体数和Kamlet-Taft β值，溶剂分为β≤DN*和β≥DN*两类，发光强度变化规律与器件效率趋势一致，后续重点研究异丙醇-二甲亚砜和异丙醇-NMP体系。

图2| 异丙醇-NMP钝化动力学的原位探测

要点：

1.原位光致发光监测显示，异丙醇-NMP体系处理的钙钛矿薄膜在旋涂时PL强度达到峰值的时间延迟且强度更高，表明存在特殊钝化路径。核磁共振分析揭示二碘哌嗪与甲脒阳离子的强相互作用是表面钝化的关键，可阻止A位阳离子去质子化，抑制甲脒空位形成。

2.退火阶段，异丙醇-NMP体系处理的薄膜PL强度达峰速度更快，最终峰值更高，证明溶剂化中间相向α相转化能有效钝化表面缺陷；两组体系达峰后PL强度下降源于热淬灭效应。

图3| 表面与界面损失分析

要点：

1.激光共聚焦荧光寿命成像显示，异丙醇-NMP体系处理的钙钛矿表面均匀性更优、荧光寿命更长，利于降低界面接触损失。荧光量子产率测试中，该体系处理的薄膜显著提升，沉积[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯后仍保持初始70%以上的量子产率，准费米能级分裂值达1.202 eV，较对照组提升28 meV。

2.紫外光电子能谱测试表明，异丙醇-NMP处理后费米能级向钙钛矿表面导带底移动，利于电子提取；钙钛矿表面附近导带电子密度升至3.4×10¹¹cm⁻³，归因于增强的n型掺杂效应。飞秒瞬态吸收光谱显示，该体系处理能实现更早的电子提取，促进界面电荷提取过程。

图4| 器件性能与稳定性表征

要点：

1.采用异丙醇-NMP策略制备的倒置钙钛矿太阳能电池（结构ITO/NiOx/SAMs/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag）效率显著优于对照组和纯异丙醇组，开路电压、短路电流密度和填充因子协同提升。对照组效率24.97%，稳态效率24.51%；异丙醇-NMP器件效率26.80%，稳态效率26.58%。

2.外量子效率测试显示冠军器件积分电流密度25.61 mA cm⁻²，证实二碘哌嗪与NMP的协同作用。优化衬底后，反向扫描效率达27.19%（稳态26.95%），填充因子86.70%；经国家光伏产品质量检验中心认证，反向J-V扫描效率27.27%，稳态效率26.87%，为目前倒置钙钛矿电池认证效率最高成果之一。

总结展望

为验证异丙醇-NMP策略的普适性，本研究制备了不同带隙的宽带隙钙钛矿电池，FA₀.₈Cs₀.₂Pb(I₀.₈Br₀.₂)₃（带隙1.68 eV）和FA₀.₈Cs₀.₂Pb(I₀.₆Br₀.₄)₃（带隙1.77 eV）器件效率分别达22.92%和21.15%，在锡-铅混合钙钛矿体系中也有积极作用。采用该策略的1.77 eV宽带隙钙钛矿制备全钙钛矿叠层电池，冠军器件效率29.27%，经中科院上海微系统所认证达29.08%，为全钙钛矿叠层电池认证效率最高纪录之一。本研究证实该策略适用于单结倒置器件、迷你组件及全钙钛矿叠层电池等多种架构。

本文仅代表作者观点，版权归原创者所有，如需转载请在文中注明来源及作者名字。

免责声明：本文系转载编辑文章，仅作分享之用。如分享内容、图片侵犯到您的版权或非授权发布，请及时与我们联系进行审核处理或删除，您可以发送材料至邮箱：service@tojoy.com