论文概览
苯乙铵（PEA⁺）已被广泛用于缺陷钝化，通过在三维钙钛矿表面形成准二维钙钛矿层来提升钙钛矿太阳能电池的光伏性能。然而，PEA⁺的离子特性使其在高温下容易发生去质子化，生成中性的PEA⁰分子。该分子具有强亲核性，易与三维钙钛矿中的甲脒阳离子（FA⁺）发生反应，加速钙钛矿结构的降解，从而导致光伏性能与长期稳定性的衰退。韩国科学技术院Phillip Lee, Heesuk Jung团队，与汉阳大学Min Jae Ko团队合作通过采用一种通过简易工艺合成的非离子型二元化合物——N,N-二甲基苯磺酰胺（DMBSA）作为缺陷钝化材料。与PEA⁺不同，DMBSA凭借其强共价键作用保持热稳定性，在高温下不会发生去质子化。此外，其较低亲核性可避免与FA⁺发生副反应，显著延缓钙钛矿降解。实验结果表明，经DMBSA钝化处理的钙钛矿太阳能电池在85°C热应力条件下经历1500小时后，仍能保持96.1 ± 0.8%的初始光电转换效率，而PEA⁺钝化电池仅保留64.0 ± 0.19% 的效率。更重要的是，DMBSA钝化能有效抑制非辐射复合，其分子偶极矩诱导的电场还可促进空穴向空穴传输层的高效转移。最终，DMBSA钝化电池实现了25.43%的光电转换效率（认证效率达25.1%），显著优于未处理原始电池的22.07%相关成果以“Enhanced Thermal Stability in Perovskite Solar Cells via the Integration of a Nonionic Binary Compound”为题发表在期刊Advanced Energy Materials上。
技术亮点
1.热稳定性跃升: 通过引入DMBSA钝化层，电池在85°C高温下经历1500小时后，效能保持率高达96.1%，远超传统钝化剂。
2.钝化机制革新: 利用DMBSA分子中的─SO₂基团与铅位点形成强配位键，实现了卓越的表面缺陷钝化，从根本上抑制了离子迁移。
3.非离子设计: 新性地采用非离子型钝化剂，彻底避免了传统离子型钝化剂（如PEA⁺）在高温下去质子化并引发有害副反应的风险。
4.多维稳定性: 该钝化策略不仅能提升热稳定性，还能同步增强器件在高湿和连续光照下的长期耐久性，实现“一石三鸟”的效果。
研究意义
✅解决稳定性瓶颈:此项研究为攻克钙钛矿太阳能电池的商业化应用中最关键的稳定性难题，提供了行之有效且易于实现的解决方案。
✅定义新材料标准:它确立了非离子分子作为新一代钝化剂的巨大潜力，为未来高性能、高稳定性钝化材料的设计指明了新方向。
✅推动商业化进程:显著延长了器件在接近真实环境下的使用寿命，是钙钛矿光伏技术从实验室走向实际应用的重要一步。
✅机理深度关联:研究通过多维度、跨尺度的表征手段，将分子结构、界面相互作用与宏观器件性能紧密关联，建立了清晰的结构-性能关系
深度精度
1. DMBSA通过简单的旋涂法沉积于钙钛矿薄膜表面，有效钝化缺陷：
本研究通过合成非离子型化合物DMBSA，显著提升了钙钛矿太阳能电池的热稳定性。在85°C氮气环境中进行1500小时的热应力测试表明，DMBSA钝化的电池能保持96.1%的初始光电转换效率，远优于PEA⁺钝化电池（700小时后仅剩64.0%）和未钝化电池。其稳定机制在于DMBSA中的─SO₂官能团能与不配位的Pb²⁺形成稳定配位，有效抑制了碘离子沿晶界的迁移，从而延缓了钙钛矿结构的降解。形态学分析进一步证实，DMBSA能完全抑制PEA⁺钝化样品中出现的热致空洞现象。机理研究表明，PEA⁺在高温下去质子化产生的NH₃⁺会引发阳离子互扩散，导致底部界面形成空洞，而DMBSA则避免了这一连锁反应。此外，DMBSA钝化电池在85%湿度下400小时后仍保持96.4%的效率，在连续光照250小时后保持98.9%的效率，展现出全面的环境稳定性优势。
2. 多维度表征揭示了DMBSA与PEA⁺在调控钙钛矿热稳定性方面的根本性差异：
热重分析表明，DMBSA钝化的FAPbI₃具有更高的热分解温度（504.1/511.1°C），显著优于PEA⁺钝化样品，证实后者会加速材料的热降解。机理研究发现在150°C热应力下，PEA⁺会发生去质子化生成中性PEA⁰，其强亲核性会攻击FA⁰的C═N键，通过亲核取代反应导致甲脒分解，并释放NH₃气体，这一过程得到FTIR（1720 cm⁻¹处C═N峰消失）和GC-MS（检测到NH₃）的确凿证据。相反，非离子型的DMBSA因其分子中磺酰基的强吸电子效应，不仅自身不发生去质子化，且亲核性显著降低，无法与FA⁺发生反应。同时，其分子内稳固的共价键（—SO₂—N(CH₃)₂—）赋予了优异的热稳定性，从而能有效钝化缺陷并抑制钙钛矿在高温下的化学降解。
3.通过原位GIWAXS分析发现，DMBSA钝化能显著提升FAPbI₃钙钛矿薄膜的热稳定性：
在120°C热应力作用下，原始和PEA⁺钝化薄膜的α-FAPbI₃（100）晶面衍射强度急剧衰减，同时PbI₂特征峰强度增强，表明发生了严重的热分解。特别值得注意的是，PEA⁺钝化样品中的二维钙钛矿相也随热暴露而消失，证明其反而加速结构降解。相反，DMBSA钝化薄膜形成了热稳定的Ruddlesden-Popper类二维钙钛矿结构，其三维和二维钙钛矿衍射峰在热暴露后均得到完好保持。定量分析PbI₂/FAPbI³强度比显示：DMBSA样品该比值在整个热过程中保持稳定，而对照样品则快速上升。这证实DMBSA通过构建稳定的二维/三维异质结构，有效抑制了钙钛矿晶格的热分解。
4.非离子型分子DMBSA能通过独特的分子间相互作用诱导形成稳定的二维/三维杂化钙钛矿结构，显著提升材料热稳定性：
首先，DMBSA具有5.12 Debye的分子偶极矩，这种偶极矩驱动了二维钙钛矿相的形成。XPS分析显示DMBSA钝化后Pb 4f和I 3d结合能分别降低约0.4 eV，表明─SO₂─N(CH₃)₂─基团作为路易斯碱向不配位Pb²⁺位点提供了电子捐赠，有效稳定了Pb─I键。FTIR和固态NMR谱图共同证实─SO₂基团是与Pb相互作用的主要位点：S=O伸缩振动发生蓝移，而C─N振动红移，207Pb NMR在2205 ppm处出现强共振峰，均表明─SO₂与Pb形成强配位键，而─N(CH₃)₂因空间位阻和吸电子效应参与较弱。这种强配位作用稳定了[PbI₆]⁴⁻八面体结构，抑制了高温下的晶格坍塌，从而大幅提升了钙钛矿的热稳定性。
5. DMBSA钝化处理显著提升了钙钛矿太阳能电池的光伏性能：
最优器件的效率从原始器件的22.07%提升至25.43%（认证效率25.1%），并表现出极低的迟滞效应（滞后指数0.007）。性能提升源于开路电压、短路电流和填充因子的协同优化。载流子动力学研究表明，DMBSA钝化使钙钛矿薄膜的平均载流子寿命延长至133.88纳秒，显著高于原始薄膜和PEA⁺钝化薄膜，表明其有效抑制了非辐射复合。空间电荷限制电流测试证实DMBSA处理将器件陷阱密度降至1.82×10¹⁶ cm⁻³，显著改善了电荷传输。莫特-肖特基分析显示DMBSA钝化器件的内建电势提高至1.160 V，开尔文探针力显微镜进一步证实其表面电势提升至216 mV，这种界面偶极子的形成强化了内建电场，促进了电荷的有效分离与提取，同时抑制了界面复合，最终实现了器件性能的全面提升
结论展望
本研究成功开发了一种通过简单工艺合成的非离子型二元化合物DMBSA，作为高效的钙钛矿表面缺陷钝化剂。与传统的PEA⁺钝化剂相比，DMBSA具有三大核心优势：首先，其分子结构不发生去质子化，从根本上避免了与FA⁺的有害副反应；其次，分子中的─SO₂─N(CH₃)₂─共价键赋予其优异的热稳定性；第三，能够诱导形成准二维钙钛矿覆盖层，起到阻隔水分的作用。这些特性使DMBSA钝化的器件在1500小时85°C热应力测试后仍保持96.1%的初始效率，在85%湿度环境下400小时后保持96.4%效率，在连续光照250小时后保持98.9%效率，实现了热、湿、光稳定性的同步提升。更重要的是，DMBSA钝化通过抑制非辐射复合并在钙钛矿/空穴传输层界面形成偶极子，增强了内建电场，促进了电荷高效传输，最终使器件效率提升至25.43%（认证25.1%），且迟滞效应可忽略。这项研究证明了非离子分子作为钝化剂的独特价值，它们能同时实现表面缺陷钝化和二维覆盖层构建，为解决钙钛矿器件在实际运行环境下的稳定性难题提供了新的技术路径，为推动钙钛矿光伏技术走向商业化应用奠定了坚实基础。
文献来源
Kang, Byungsoo, et al. "Enhanced Thermal Stability in Perovskite Solar Cells via the Integration of a Nonionic Binary Compound."Advanced Energy Materials (2025).
https://doi.org/10.1002/aenm.202503429
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202511/05/50011865.html
