南开大学张晓丹团队：新型双钝化分子，刮涂1.67 eV宽带隙钙钛矿效率22%

来源：钙钛矿太阳能电池之基石搭建发布时间：2025-05-26 16:17:25

发表日期： 23 May 2025

第一作者：Xin Ge

通讯作者：Shuainan Liu, Xiaodan Zhang

研究背景

表面端基无序介导的电子特性空间异质性是实现高效金属卤化物钙钛矿光伏器件的关键限制因素。目前对分子构型如何影响电子异质性的深入理解仍显不足，这为界面优化设计带来挑战。

研究内容

本研究提出了一种有效的界面调控策略，旨在实现电子特性的空间均质化。通过使用两种异构的D-π-A分子——2-氨基烟酰胺和6-氨基烟酰胺，调控烟酰胺分子的空间构象以获得不同吸附取向。借助分子间协同作用，实现柔性多位点吸附，强化了与钙钛矿的相互作用，促进表面电荷的均匀再分布，从而降低空间电子异质性，优化能级排列，并抑制钙钛矿表面的非辐射复合。

基于该策略，涂布制备的带隙1.67 eV钙钛矿太阳能电池实现了22.0%的功率转换效率。这一方法有望在突破现有性能瓶颈、推动钙钛矿太阳能电池逼近理论效率极限方面发挥关键作用。

分子与钙钛矿相互作用的理论与实验验证。a) 2AN与6AN的分子结构及静电势分布;b) 2AN(垂直取向)和c) 6AN(平行取向)在钙钛矿表面的电荷密度差计算结果(蓝色：电子耗尽区;黄色：电子富集区);d) 2AN及2AN+PbI2与e) 6AN及6AN+PbI2在1200-2000 cm-1波数范围内的傅里叶变换红外光谱;f) 对照组与经2AN、6AN及2AN+6AN处理的钙钛矿薄膜的Pb 4f和g) I 3d X射线光电子能谱。

钙钛矿表面不同吸附过程的示意图。

钙钛矿薄膜特性表征。开尔文探针力显微镜(KPFM)表面电势图像：(a) 对照组，(b) 2AN处理，(c) 6AN处理，(d) 2AN+6AN复合处理薄膜;(e) 薄膜表面电势统计分布;(f,g) 对照组及经2AN、6AN和2AN+6AN处理薄膜的紫外光电子能谱(UPS);(h) 经2AN+6AN处理的钙钛矿太阳能电池能级排列示意图。

钙钛矿薄膜形貌表征。俯视扫描电镜图像：(a) 未处理对照组，(b) 2AN处理，(c) 6AN处理，(d) 2AN+6AN复合处理薄膜;原子力显微镜图像：(e) 对照组，(f) 2AN处理，(g) 6AN处理，(h) 2AN+6AN处理薄膜。

钙钛矿太阳能电池(PSCs)处理前后的光伏特性对比。a) 对照组、2AN处理组、6AN处理组及2AN+6AN复合处理组PSCs的电流密度-电压(J-V)特性曲线;b) 光电转换效率(PCE)及c) 开路电压(VOC)的统计分布结果;d) 对照组与2AN+6AN处理组PSCs的暗态J-V曲线;e) 对照组与2AN+6AN处理组PSCs的奈奎斯特曲线;f) 对照组与2AN+6AN处理组PSCs的莫特-肖特基曲线。

器件制备

钙钛矿前驱体溶液制备

将1.58 M的Cs0.15FA0.65MA0.2Pb(I0.8Br0.2)3钙钛矿前驱体溶解于DMF溶剂中，随后按NMP:DMF=1:10的体积比添加NMP助溶剂。前驱体溶液在使用前于60℃持续搅拌3小时。

器件制备工艺

基底处理：

采用2 cm×2 cm规格的图案化ITO玻璃基底

依次使用洗涤剂、去离子水和异丙醇进行超声清洗(各30分钟)

紫外臭氧处理20分钟

空穴传输层制备：

配制0.75 mg/mL的Ph-2PACz乙醇溶液

以5000 rpm转速旋涂30秒

100℃退火10分钟