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米测 技术中心

2023-11-22

依赖单一种类的分子可能无法同时解决表面和界面重组过程，因此作者试图使用不同分子的组合来解决复杂的界面载流子重组问题。其中，第一类分子（二铵分子）排斥空穴载流子，通过场效应钝化减少界面复合，第二类分子（甲硫基分子）与缺陷位点相互作用形成化学键，通过化学钝化减少表面复合。二铵和甲硫基分子的使用使得多种组合的 PCE 提高。PDAI₂/3MTPAI实现了最高的平均PCE（>25.5%）。

图  钙钛矿/ETL界面的钝化

作者通过DFT模拟3MTPA和AA在钙钛矿表面上的配体方向，结果表明，与单独依赖铵官能团的配体相比，甲硫基提供了更强的结合力，表明钝化能力更强。XPS和ToFu－SIMS表征也表明3MTPA对钙钛矿表面具有更强的结合亲和力，对缺陷具有更好的钝化效果。

二铵-甲硫基双重钝化（DMDP）策略提高了钙钛矿/C₆₀样品的PLQY，并将PCE提高到>26%，3MTPAI和PDAI₂可以增加钝化并减少载流子复合而不互相干扰。优化后的基于DMDP的器件的CE从22.8±0.4 提高到25.5±0.3%，同时开路电压(V_OC)从1.12±0.01 V 提高到1.16±0.01 V ，填充因子(FF)从 78.5±1.3到83.8±1.3%。冠军DMDP器件的PCE为26.4%，短路电流(J_SC)为 26.2 mA cm^−2，V_OC为1.17 V，FF为85.8%。    

图  DMDP策略工作原理

在对封装器件热稳定性的研究中，发现在氮气中85°C下热老化1600小时后，基于DMDP的器件设备保留了95%的初始PCE，超过了对照设备84%的保留率。在65°C 1太阳光照下连续运行2000小时后，基于DMDP的装置保持了原始PCE的 96%，而对照装置则降低至初始PCE的70%。    

研究发现用丙烷-1,3-碘化二铵(PDA)盐溶液对钙钛矿进行后处理可以有效地将电子传输层(ETL)界面处的准费米能级分裂(QFLS)损失降低，改善全器件V_oc(图1)。使用PDA制造了p-i-n结构的块状和表面钝化的宽带隙PSC，在1.97 eV带隙下，PSC的V_oc为1.44 V，达到DB极限的约86%，0.83的高填充因子(FF)和12.8 mA cm^-2的短路电流密度(Jsc)，PCE高达15.3%。除了性能增强外，PDA修饰的宽带隙PSC还表现出更好的工作稳定性。在1个太阳光照下的最大点功率点(MPP)跟踪下，经过PDA修饰的装置的PCE在20 h后保持在90%以上。

通过在宽带隙PSC的电流密度-电压(J-V)测量原位收集了PL光谱量化在工作条件下卤化物偏析对性能指标的影响。研究发现载流子在富i畴中迅速积累和重组，导致分离器件中严重的电荷收集损失。光诱导卤化物偏析不会影响电荷选择性，并且界面载流子输运几乎没受到影响。PDA添加剂促进了富i低带隙域的电流提取，提高了宽带隙PSC的工作稳定性。

光谱表征表明在钙钛矿薄膜中加入PDA后，没有形成低维钙钛矿或二次相，PDA添加剂没有混合到钙钛矿晶格中，PDA对钙钛矿薄膜的立方晶格常数和带隙的影响不大。XPS表明PDA与钙钛矿晶界附近的卤化铅部分形成化学键，导致Pb²⁺与卤素阴离子之间的静电相互作用发生变化。在宽带隙钙钛矿薄膜的自旋涂覆和热退火过程中进行了原位紫外-可见吸收测量以研究PDA对薄膜形成动力学。结果发现PDA在自旋涂层过程中与钙钛矿前体相互作用并减缓钙钛矿形成的能力，添加PDA的膜则表现出延迟结晶。这种钙钛矿的延迟生长可以产生更均匀的薄膜形成和更高的结晶度。

采用了高性能的PDA修饰的宽带隙子电池，3J器件的PCE高达25.1%，V_oc为3.33 V, J_sc为9.7 mA cm^-2, FF为0.78。3J电池表现出稳定的工作性能，在AM 1.5 G 1-太阳光照下连续MPP跟踪200小时后，其初始PCE保持在80%。进一步使用转移矩阵(TM)方法进行光学建模，并通过将参考单结器件的J-V曲线缩放到模拟EQE的Jsc，重建三重电池的J-V特性，实现了3J器件的J_sc达到~11 mA cm^-2, PCE提高到29.7%，超过了现有的最先进的全钙钛矿2J太阳能电池，证明了全钙钛矿3J器件的巨大潜力。

图 4：单片钙钛矿三结太阳能电池的光伏性能与模拟