钙钛矿太阳能电池作为一种新型的半导体材料，因其可调节的带隙、优异的光吸收特性和简单的制备工艺，在光伏领域受到了广泛关注。尤其是反向宽禁带钙钛矿太阳能电池（WB-PSCs），因其在串联太阳能电池中的潜在应用而成为研究热点。这种电池结构能够有效提高整体的光电转换效率，有望突破传统单结太阳能电池的效率极限。然而，钙钛矿材料的八面体结构对环境因素极为敏感，如水分、氧气、光照和高温等，这些因素都可能加速钙钛矿的降解，导致电池性能迅速下降。此外，钙钛矿内部的Pb-I键结合能较弱，容易断裂，产生未配位的Pb²⁺离子和移动的I⁻离子，进而引发不可逆的降解过程。同时，A位阳离子的解离也会导致气体挥发，进一步破坏钙钛矿的八面体结构。这些降解路径加速了PbI₂的沉淀，显著降低设备性能。此外，钙钛矿与载流子传输层之间的能级不匹配可能导致界面处的势垒形成，导致载流子积累和传输效率降低。这些挑战限制了钙钛矿太阳能电池的进一步发展，因此需要有效的钝化策略来提高其效率和稳定性。

这篇文章的研究为钙钛矿太阳能电池的性能提升提供了新的思路，通过结合化学钝化和场效应钝化的方法，实现了效率和稳定性的双重提升，这对于钙钛矿太阳能电池的商业化应用具有重要意义。

（1）钝化策略与效率提升：研究采用PEAI和MgFx双层钝化策略，结合化学钝化与场效应钝化。PEAI与过量PbI₂反应形成二维钙钛矿层，钝化表面缺陷；MgFx通过偶极子调节界面能级，产生场效应钝化。这种协同作用使钙钛矿太阳能电池效率显著提升，达到20.68%。

（2）稳定性与界面优化：双层钝化有效提高钙钛矿薄膜疏水性，阻挡水分侵蚀，使电池在45天后仍保有90%初始效率。同时，MgFx诱导界面电偶极子形成，优化能级排列，降低界面能级偏移，提升载流子传输效率。

（3）综合性能提升：该策略改善载流子动力学，延长载流子寿命，提高迁移率，降低陷阱态密度，减少非辐射复合损失；增强光学性能，提升光吸收能力，从而全面提升钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。

研究采用了多种测试表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）、时间分辨光致发光（TRPL）、光致发光量子产率（PLQY）、空间电荷限制电流（SCLC）、X射线光电子能谱（XPS）、密度泛函理论（DFT）计算、开尔文探针力显微镜（KPFM）、紫外光电子能谱（UPS）、Mott-Schottky测量、瞬态光电压（TPV）及瞬态光电流（TPC）等技术对钙钛矿薄膜和器件性能进行了全面表征。 

图1.（a）钙钛矿薄膜的俯视图扫描电子显微镜（SEM）图像（插图为水接触角的统计直方图）。（b）经不同钝化层处理的钙钛矿薄膜的X射线衍射（XRD）光谱。（c）无电子传输层（ETL）和（d）有ETL的情况下的稳态光致发光（PL）光谱（光从钙钛矿表面入射）。（e）具有不同钝化层的钙钛矿薄膜的光致发光量子产率（PLQY）。（f）具有不同钝化层的钙钛矿薄膜的开路电压非辐射复合损失（〖ΔV〗_OC^(non-rad)）计算值。（g）具有不同钝化层的宽带隙钙钛矿太阳能电池（WB-PSCs）的准费米能级分裂（QFLS）（玻璃/ITO/空穴传输层（HTL）/钙钛矿/PEAI/MgFx）和开路电压（VOC）。（h）空穴-only器件的空间电荷限制电流（SCLC）光谱。

图2.（a）对照器件和改进器件（双层钝化）的钙钛矿层降解机制。不同钝化层（对照、PEAI、MgFx和双层钝化）处理的钙钛矿薄膜的X射线光电子能谱（XPS）：（b）Pb 4f和（c）I 3d信号。（d）用PEAI钝化的3D钙钛矿表面和（e）用MgFx钝化的3D钙钛矿表面的密度泛函理论（DFT）优化晶体结构（MgF⁺的F端吸附在钙钛矿表面）。

图3.（a）不同处理（对照、PEAI、MgFx和双层钝化）的钙钛矿薄膜的开尔文探针力显微镜（KPFM）图像和（b）紫外光电子能谱（UPS）光谱。（c）未处理和（d）双层钝化处理的电子传输层（ETL）和钙钛矿薄膜的界面能级图。（e）对照、（f）PEAI钝化和（g）MgFx钝化的钙钛矿的能带结构图。

图4.（a）基于不同钝化层的钙钛矿太阳能电池（PSCs）的莫特-肖特基曲线，（b）奈奎斯特图，（c）−dJ/dV 对 (JSC−J)-1图，（d）瞬态光电压（TPV），以及（e）瞬态光电流（TPC）。（f）TPV 衰减时间与载流子密度强度的关系。（g）填充因子（FF）损失机制示意图。（h）暗电流-电压（J-V）曲线。（i）不同钝化层处理的宽带隙钙钛矿太阳能电池（WB-PSCs）的开路电压（VOC）随光强变化的关系图。

图5.（a）经不同条件处理的最佳宽带隙钙钛矿太阳能电池（WB-PSCs）的电流密度-电压（J-V）曲线。（b）不同钝化层处理的WB-PSCs的外部量子效率（EQE）光谱及相应的积分短路电流密度（Jsc）。（c）在AM 1.5G光照下最大功率点（MPP）的跟踪。（d）对照组和（e）双层钝化处理的WB-PSCs在不同温度下的归一化功率转换效率（PCE）随储存时间的变化。每种情况下的PCE值均以各自最大值为基准进行归一化处理，数据为5个器件的平均值。（f）阿伦尼乌斯（Arrhenius）速率常数图。

图 瞬态光电流TPC/光电压TPV测量仪TranPVC 900

东谱科技早于2017年推出该设备TranPVC 100，TranPVC面市后，迅速得到客户的认可。目前在光伏、光催化、光探测等研究领域的关注度高，有很好的用户基础。TranPVC 发展至今，完成了全系列的产品升级—TranPVC 900。TranPVC 900集成了数种最前沿的瞬态测量模式，包括瞬态光电TPV、瞬态光电流TPC、瞬态光电荷TPQ、电荷抽取CE、开路电压上升与衰减Voc Riseand Decay、探测器响应时间TRTF、On-off TPV、On-off TPC等数种前沿的测量模式。为光电器件的机理研究提供了强有力的、便捷的测试工具。

▍引用文章

Chemical and field-effect passivation coupling for performance enhancement of inverted wide-bandgap perovskite solar cells

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163363