金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能、低廉的制备成本和溶液可加工性而备受关注。近年来，这类太阳能电池的实验室规模单结电池的光电转换效率（PCE）已达到27%。然而，有机-无机杂化钙钛矿的热不稳定性限制了其长期稳定性。有机阳离子的高挥发性导致其在长期工作中性能下降，尤其在高温高湿环境下更为明显。全无机CsPbI₃钙钛矿因其高热稳定性和理想带隙成为研究热点，其效率从2015年的2.9%提升至22.20%。但全无机CsPbI₃钙钛矿太阳能电池的性能仍受限于钙钛矿/电子传输层（ETL）界面缺陷和不可控的钙钛矿结晶过程。传统TiO₂电子传输层存在氧空位缺陷，与钙钛矿层能级不匹配，且晶格常数失配导致界面应力。

此外，CsPbI₃的结构不稳定性使其在低温下易从光活性α相转变为非活性δ相，传统溶液法制备的钙钛矿薄膜结晶不均匀，导致高密度缺陷，严重阻碍载流子传输。为解决这些问题，研究者们致力于开发能同时解决界面缺陷和结晶问题的多功能添加剂，以实现全无机CsPbI₃钙钛矿太阳能电池的高效和稳定运行。

本研究通过使用五氟苯胺三氟甲磺酸盐（PFNAT）作为多功能添加剂，实现了对全无机CsPbI₃钙钛矿太阳能电池界面缺陷的有效钝化和晶体生长的调控，显著提升了器件的光电转换效率和稳定性。

（1）界面修饰效果显著：PFNAT能有效锚定在TiO₂/钙钛矿界面，钝化TiO₂和钙钛矿层的缺陷，抑制界面复合损失，使TiO₂能级上移，与钙钛矿能级更匹配，提高载流子传输效率。

（2）晶体生长调控有效：PFNAT降低CsPbI₃晶体表面能，促进钙钛矿结晶，提升薄膜结晶度，同时与钙钛矿层中暴露的Pb²⁺离子通过S═O键相互作用，减少碘空位缺陷密度。

（3）器件性能大幅提升：优化后的PFNATLI修饰器件实现了21.36%的光电转换效率（PCE），开路电压（VOC）为1.23 V，填充因子（FF）达83.44%。在1 cm²大面积器件中，PCE达17.41%；在弱光条件下（2956 K，1062 lux），PCE提升至41.27%。

（4）稳定性显著增强：在5%相对湿度（RH）下，未封装的器件存储800小时后保留87.27%的初始效率，在氮气氛围中存储900小时后保留95.45%的初始效率，展现出优异的环境和操作稳定性。

（5）多功能添加剂优势凸显：PFNAT作为多功能添加剂，能同时解决界面缺陷和结晶问题，简化制备工艺，降低制造成本，为提升全无机CsPbI₃钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性提供了高效策略。

该研究涉及的测试表征技术主要包括：X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）、空间电荷限制电流（SCLC）方法、紫外光电子能谱（UPS）、时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）光谱、电致发光（EL）和时间分辨电致发光（TREL）光谱、电化学阻抗谱（EIS）、暗电流-电压（I-V）特性、外量子效率（EQE）测量、拉曼光谱（Raman）、透射电子显微镜（TEM）、瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）等。这些技术从化学状态、晶体结构、表面形貌、电学性能、光学特性及稳定性等多方面对材料和器件进行了全面表征。

图1. a）制备PFATLI-CsPbI3薄膜的工艺流程图。b）PFAT的静电势能。c）PFAT分子中−SO3−和−CF3在TiO2表面吸附的优化模型。d）Ti 2p，和e）O 1s的XPS光谱，分别对应PFAT粉末、TiO2、TiO2/PFAT和TiO2/PFATLI薄膜。f）对照器件和目标器件的能级图。

图2. a) 对照膜和b) 目标膜的顶视扫描电子显微镜(SEM)图像。图示为晶粒尺寸分布。c) 对照膜和目标膜的Pb 4f X射线光电子能谱(XPS)。d) 对照膜和e) 目标膜的二维掠入射广角X射线散射(2D GIWAXS)图案。f) 对照膜和目标膜的X射线衍射(XRD)图谱。g) 对照膜和h) 目标膜底部在不同????角的掠入射X射线衍射(GIXRD)图案。i) 根据GIXRD图案的2????-sin²(????)函数拟合关系。

图3. a) 对照膜和b) 目标膜的碘空位形成理论模型。c) 对照膜和目标膜的原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图案。d) 无PFAT和有PFAT的钙钛矿（100）晶面表面能的理论模型及计算结果。e) 对照膜和目标膜在210°C退火后的结晶过程示意图。

图4. a) 目标膜的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）深度剖面。b) 对照膜、PFAT-PVK膜和目标膜的紫外-可见（UV-vis）光谱。c) 对照膜、PFAT-PVK膜和目标膜的光致发光（PL）和d) 时间分辨光致发光（TRPL）光谱。e) 对照膜和f) 目标膜底部的光致发光映射光谱。g) 对照器件、PFAT-PVK器件和目标器件的瞬态光电压（TPV）曲线。h) 对照器件、PFAT-PVK器件和目标器件的电化学阻抗谱（EIS）曲线。i) 基于电子输运的对照器件、PFAT-PVK器件和目标器件的空间电荷限制电流（SCLC）曲线。

图5. a) 对照器件和目标器件的电流密度-电压（J−V）曲线。b) 开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）的数据统计。c) 对照器件和目标器件的稳态PCE和JSC输出。d) 对照器件和目标器件的外量子效率（EQE）及其积分电流密度曲线。e) 对照器件、PFAT-PVK器件和目标器件的暗电流-电压（I−V）曲线。f) 活性面积为1 cm²的PFATLI改性钙钛矿太阳能电池（PSCs）的J−V曲线。g) 在2956 K、1062 lux的弱光条件下PFATLI改性PSCs的J−V曲线。h) 未封装的对照器件和目标器件在氮气氛围中的长期稳定性。i) 未封装的对照器件和目标器件在相对湿度为5%的环境条件下的长期稳定性。

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

Synergistic Interface Modification and Crystal Growth Regulation via a Fluorinated Sulfonate Multifunctional Buried Additive for High-Efficiency CsPbI3 Perovskite Solar Cells Exceeding 21%

https://doi.org/10.1002/aenm.202502006