文章介绍
表面缺陷钝化对于提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性至关重要。然而，其可重复性和普适性尚未得到充分探索，限制了大规模生产的实现。
基于此，西湖大学王睿等人提出了一种基于氟代异丙醇的钝化策略，仅通过一层低维钙钛矿即可实现表面缺陷的完全钝化，且不会干扰电荷传输。氟代异丙醇降低了钝化剂分子与钙钛矿的反应性，并允许使用高浓度的钝化剂，从而确保缺陷的完全钝化。随后，使用氟代异丙醇和异丙醇的混合溶剂进行冲洗，以去除多余的钝化剂分子。研究证明，该策略具有宽广的工艺窗口，对钝化剂浓度的偏差具有高容忍度，并且适用于多种器件架构、钙钛矿组成和器件面积。该方法实现了高功率转换效率，并有望在工业制造中提高可扩展性和生产良率。该论文近期以“Fluorinated isopropanol for improved defect passivation and reproducibility in perovskite solar cells”为题发表在顶级期刊Nature Energy上。
研究亮点：
创新钝化策略：研究团队提出了一种基于氟化异丙醇(FIPA)的饱和钝化(SP)策略。
高容忍度和普适性：该策略对钝化剂浓度偏差、器件结构(n-i-p和p-i-n)、钙钛矿组分(如Cs/FA/MA基)以及器件面积(最高1 cm²)均表现出高耐受性。实验中实现了25.6%(n-i-p低带隙)至26.0%(p-i-n低带隙)的功率转换效率(PCE)，显著提升了器件性能和可重复性。
机制解析：FIPA通过F…N–H氢键抑制钝化剂与钙钛矿的过度反应，从而允许使用高浓度钝化剂而不影响电荷传输。这种机制为高效稳定器件的设计提供了新的思路。
研究内容：
研究团队提出了一种基于氟化异丙醇(FIPA)的饱和钝化(SP)策略。通过使用高浓度钝化剂(溶于FIPA)处理钙钛矿表面，随后用FIPA/IPA混合溶剂清洗去除多余分子，实现了表面缺陷的完全钝化，同时不影响电荷传输。
研究意义：
提升可重复性和大规模生产潜力：该研究提出的FIPA饱和钝化策略解决了传统钝化方法在浓度偏差和环境变化下的不稳定性问题，为钙钛矿太阳能电池的大规模生产和工业化应用提供了可重复的解决方案。
推动钙钛矿技术发展：通过深入解析FIPA在缺陷钝化中的作用机制，该研究为设计更高效、更稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新的理论基础和技术路径。
图文信息
图1 | 配体的渗透和插入。a，FIPA和IPA的分子结构示意图以及涉及的CP(部分钝化)和SP(饱和钝化)过程。绿色文本用于强调传统溶剂与氟化溶剂之间的化学式差异。b-d，对于经过不同浓度和钝化模式处理的薄膜，在电子发射角度为0°、45°和75°时的C-N与FA-N比值(5 mM (b)、10 mM (c)和50 mM (d))。背景颜色用于区分和强调化学配方和钝化方法的差异。粉色代表FIPA-CP，蓝色代表IPA-CP，绿色代表FIPA-SP，紫色代表IPA-SP钝化方法。e，f，分别使用FIPA-CP和IPA-CP方法沉积的钙钛矿(e)和PbI₂(f)薄膜的XRD图谱。g，对照膜以及经过IPA-CP和FIPA-CP处理的钙钛矿膜的SEM图像。结果表明，在FIPA中PEAI的渗透能力和反应性降低。
图2 | 反应性迟滞机制。a，异丙醇(IPA)和浸渍有PbI₂的异丙醇(左)以及FIPA和浸渍有PbI₂的(右)的FTIR光谱。b，通过等量PEAI分别溶解于IPA、FIPA和DIPA沉积的PbI₂薄膜的XRD图谱。c，FIPA和浸渍有PbI₂的FIPA的¹⁹F固体NMR(¹⁹F ssNMR)谱图。d，PEAI粉末、PEAI/ IPA溶液和PEAI/ FIPA溶液的FTIR光谱。e，纯FIPA溶剂和溶解有PEAI的FIPA的¹⁹F NMR谱图。f，PEAI/IPA溶液和PEAI/ FIPA溶液的¹H NMR谱图。放大的插图展示了烷基氢共振区域的化学位移。
图3 | 提高SP的有效性。a，经过PEAI/ IPA处理后，用IPA或FIPA冲洗的钙钛矿薄膜的XRD图谱。b，经过PEAI/ FIPA处理后，用IPA或FIPA冲洗的钙钛矿薄膜的XRD图谱。c，基于a中描述的处理方式对应的器件的PCE，基于七个统计样本(中心值：平均值;误差条：标准差)。d，基于b中描述的处理方式对应的器件的PCE。e，f，对照钙钛矿薄膜和经过a、b中处理方式的钙钛矿薄膜的PL强度。g，经过PEAI/ FIPA预处理的钙钛矿薄膜在用含有不同体积百分比异丙醇(φIPA)的溶剂混合物冲洗后的PL强度。h，以PEAI浓度为函数的PCE曲线，钙钛矿样品采用100 mM PEAI/ FIPA溶液预处理。i，以PEAI浓度为函数的PCE曲线，钙钛矿样品在用含有φIPA= 20%的溶剂混合物冲洗后。j，采用20 mM浓度和φIPA= 15%的FIPA-SP方法处理的钙钛矿薄膜，使用不同铵配体处理的PCE的箱线图。
图4 | SP策略的普适性。a-h，不同制备工艺下参考器件和基于SP策略的器件的J-V曲线及其对应的直方图。a，ITO/SAM/Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃(PEAI)/LiF/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿在N₂气氛中顺序沉积，使用23个器件进行统计分析。b，ITO/SAM/(Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃)₀.₈(FAPbBr₃)₀.₂(CF₃-PEAI)/LiF/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿在N₂气氛中顺序沉积，使用31个器件进行统计分析。c，ITO/SAM/(Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃)₀.₆(MAPbBr₃)₀.₄(CF₃-PEAI)/LiF/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿在N₂气氛中顺序沉积，使用42个器件进行统计分析。d，ITO/SAM/Cs₀.₀₅MA₀.₀₅FA₀.₉₀PbI₃(EDAI₂ + 2MTEAI)/LiF/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿在N₂气氛中采用反溶剂沉积，使用37个器件进行统计分析。e，ITO/SAM/Cs₀.₀₅MA₀.₂₂FA₀.₇₃PbI₂.₃₁Br₀.₆₉(CF₃-PEAI)/LiF/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿在N₂气氛中采用反溶剂沉积，使用24个器件进行统计分析。f，FTO/SnO₂/FAPbI₃(PEAI)/spiro-OmetaD/MoO₃/Ag，钙钛矿在25%-30%湿度的空气环境中采用反溶剂沉积，使用41个器件进行统计分析。g，1 cm² ITO/SAM/Cs₀.₀₅MA₀.₀₅FA₀.₉₀PbI₃(EDAI₂ + 2MTEAI)/LiF/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿在N₂气氛中采用反溶剂沉积，使用30个器件进行统计分析。h，1 cm² ITO/SAM/Cs₀.₀₅FA₀.₈MA₀.₁₅Pb(I₀.₇₅Br₀.₂₅)₃(CF₃-PEAI)/LiF/C₆₀/BCP/Ag，钙钛矿在N₂气氛中采用反溶剂沉积，并插入器件的照片。i，通过旋涂法和浸涂法实施SP策略的效果对比(基于17个统计样本，须：最大值和最小值;箱的边界：25百分位和75百分位;中心：平均值)。j，SP策略普适性的示意图。Ref，参考。
总之，作者等人在本研究中提出的饱和钝化策略为减少钙钛矿太阳能电池中的缺陷提供了一种稳健、高效且可重复的方法。通过使用溶解于FIPA中的高浓度钝化剂溶液处理钙钛矿表面，随后利用IPA和FIPA的混合溶剂去除多余的配体，可以有效地克服了由于表面条件变化而导致的钝化效果不一致的挑战。对这一策略背后的机制进行了研究，揭示了推动该策略成功的决定性因素：钝化剂与FIPA之间形成的强H-F氢键防止了与三维晶格的过度反应。通过实施这一表面钝化策略，在各种钙钛矿器件中实现了显著的PCE，展示了其多功能性和更广泛应用的潜力。这项工作为钙钛矿太阳能电池中实现持续且有效钝化的机制提供了关键见解，并为开发更先进的钝化技术奠定了基础。
器件制备
器件制备：
钙钛矿薄膜的制备：
1. Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃钙钛矿用于n-i-p结构：将1.4 M PbI₂和0.07 M CsI溶解于1 mL DMF/DMSO混合溶剂(v/v 94/6)中，制备PbI₂溶液。将80 mg FAI和13 mg MACl溶解于1 mL IPA中，制备FAI/MACl溶液，溶液在使用前搅拌过夜。PbI₂ 1500 rpm 40s旋涂，FAI/MACl 1800rpm 40s旋涂，手套箱中90℃退火60s，30%-40% RH中150℃退火10 min;
2. Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃钙钛矿用于p-i-n结构器件：将1.8 M PbI₂和0.09 M CsI溶解于1 mL DMF/DMSO混合溶剂(v/v 90/10)中，制备PbI₂溶液。将99 mg FAI和16 mg MACl溶解于1 mL IPA中，制备FAI/MACl溶液。溶液在使用前搅拌不超过2小时, PbI₂ 1500 rpm 40s旋涂，FAI/MACl 1800rpm 40s旋涂，手套箱中90℃退火60s，150℃退火10 min;
3. (Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃)₀.₈(FAPbBr₃)₀.₂钙钛矿：将1.5 M PbI₂、0.075 M CsI和0.375 M FAPbBr₃晶体溶解于1 mL DMF/DMSO混合溶剂(v/v 90/10)中，制备PbI₂/FAPbBr₃溶液。将86 mg FAI和14.2 mg MACl溶解于1 mL IPA中，制备FAI/MACl溶液。溶液在使用前搅拌过夜，PbI₂/FAPbBr₃ 1500 rpm 40s旋涂，FAI/MACl 1800rpm 40s旋涂，手套箱中90℃退火60s， 150℃退火10 min;
4. (Cs₀.₀₅FA₀.₉₅PbI₃)₀.₆(MAPbBr₃)₀.₄钙钛矿：将1.2 M PbI₂、0.06 M CsI和0.8 M MAPbBr₃晶体溶解于1 mL DMF/DMSO混合溶剂(v/v 90/10)中，制备PbI₂/MAPbBr₃溶液。将66.2 mg FAI和15 mg MACl溶解于1 mL IPA中，制备FAI/MACl溶液。溶液在使用前搅拌过夜，PbI₂/MAPbBr₃ 1500 rpm 40s旋涂，FAI/MACl 1800rpm 40s旋涂，手套箱中90℃退火60s， 150℃退火10 min;
5. Cs₀.₀₅MA₀.₀₅FA₀.₉PbI₃钙钛矿：将CsI、FAI、MAI和PbI₂溶解于710 µL DMF和190 µL DMSO的混合溶剂中，制备1.80 M钙钛矿前驱体溶液。+9 mol% PbI₂、25 mol% MACl和12 mg Pb(SCN)₂，搅拌1小时，过滤，1000rpm 10s+5000rpm 40s旋涂，第二步25s时，300 uL 苯甲醚反相，110℃退火30 min;
6. Cs₀.₀₅MA₀.₂₂FA₀.₇₃PbI₂.₃₁Br₀.₆₉钙钛矿：首先在DMF和DMSO(体积比4:1)中分别制备1.5 M的PbI₂和PbBr₂溶液(在60°C下搅拌过夜)，随后分别加入FAI和MABr，PbX₂(X = I或Br)过量9%(典型用量为0.3 g FAI和0.06 g MABr)。将所得的FAPbI₃和MAPbBr₃按77:23的体积比混合，得到“双阳离子”钙钛矿。最后，向钙钛矿前驱体中加入5体积%的1.5 M CsI DMSO溶液，3500rpm 35s旋涂，结束前10-13s，300 uL EA反相，100℃退火15-30 min;
7. Cs₀.₀₅MA₀.₁₅FA₀.₈PbI₂.₂₅Br₀.₇₅钙钛矿：将PbI₂(1.05 M，含5 mol%过量PbI₂)、PbBr₂(0.42 M)、CsI(0.07 M)、FAI(1.12 M)、MABr(0.21 M)和MACl(0.14 M，作为添加剂)溶解于体积比4:1的DMF和DMSO混合溶剂中，制备1.4 M前驱体溶液。在使用前，将溶液剧烈搅拌2-4小时，1000rpm 10s+5000rpm 40s旋涂，结束前20-18s，200 uL EA反相，手套箱中110℃退火30 min;
8. FAPbI₃钙钛矿：911 mg PbI₂、309.6 mg FAI、4 mg PACl和30 mg MACl溶解于840 µL DMF和160 µL NMP的混合溶剂中，制备1.8 M前驱体溶液。在使用前，将溶液剧烈搅拌1小时，1000rpm 10s+4000rpm 40s旋涂，结束前24s，200uL乙醚反相，20-30% RH中150℃退火10 min，整个旋涂和退火过程均在空气中进行。
n-i-p结构：
FTO/SnO₂/PVSK/spiro-OmetaD/MoO₃/Ag
1.洗干净的FTO玻璃，臭氧30 min，CBD制备SnO2(CBD溶液的配制方法为：每50 mL水中加入625 mg尿素、625 µL盐酸、12.5 µL硫代乙酸(TGA)和137.5 mg SnCl₂·2H₂O。将FTO基底和CBD溶液置于玻璃反应器中，在90°C下反应5小时。反应完成后，将基底从溶液中取出，依次用去离子水和异丙醇在超声浴中清洗各5分钟。使用前，CBD-SnO₂层在空气(相对湿度25%-35%)中170°C退火60分钟，随后进行15分钟的紫外臭氧处理。制备好的SnO₂层称为CBD-SnO₂。)
2. 按照上述方法沉积钙钛矿层后，20 uL钝化溶液4000rpm 40s旋涂，20 uL溶剂4000rpm 40s清洗;
3. 72.3 mg/mL Spiro-OmetaD CB+25.5 µL t-BP+15.5 µL(Li-TFSI，520 mg/mL，ACN)3000 rpm 30s旋涂;
4.蒸镀10 nm MoO3和100 nm Ag。
p-i-n结构：
ITO/SAM/PVSK/LiF/C₆₀/BCP/Ag
1. 洗干净的ITO玻璃，臭氧25 min，2 mg/mL 2PACz EtOH，3000rpm 60s旋涂，120℃退火30 min;洗干净的ITO玻璃，臭氧25 min，20 mg/mL的NiOₓ水溶液 3000rpm 30s旋涂，150℃空气中退火30 min，转移至N2手套箱内;0.6 mg/mL Me-4PACz EtOH:DMF=3:1(v/v)，3000rpm 60s旋涂，120℃退火15 min;
2. 2PACz/ITO基底用于两步法制备的钙钛矿薄膜，NiOₓ/Me-4PACZ基底用于反溶剂法制备的钙钛矿薄膜;
3. 按照上述方法沉积钙钛矿层后，0.5 mg/mL MAI(DMSO：IPA=1:150(v/v))4000 rpm 30s旋涂进行预处理，20 uL钝化溶液4000rpm 40s旋涂，20 uL溶剂4000rpm 40s清洗，100℃退火1 min;
4. 蒸镀0.7 nm LiF;40 nm C60;6 nm BCP;120 nm Ag。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202506/18/390531.html
