鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型的半導體材料，因其可調節的帶隙、優異的光吸收特性和簡單的製備工藝，在光伏領域受到了廣泛關注。尤其是反向寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池（WB-PSCs），因其在串聯太陽能電池中的潛在應用而成為研究熱點。這種電池結構能夠有效提高整體的光電轉換效率，有望突破傳統單結太陽能電池的效率極限。然而，鈣鈦礦材料的八面體結構對環境因素極為敏感，如水分、氧氣、光照和高溫等，這些因素都可能加速鈣鈦礦的降解，導緻電池性能迅速下降。此外，鈣鈦礦內部的Pb-I鍵結合能較弱，容易斷裂，產生未配位的Pb²⁺離子和移動的I⁻離子，進而引發不可逆的降解過程。同時，A位陽離子的解離也會導緻氣體揮發，進一步破壞鈣鈦礦的八面體結構。這些降解路徑加速了PbI₂的沉澱，顯著降低設備性能。此外，鈣鈦礦與載流子傳輸層之間的能級不匹配可能導緻界面處的勢壘形成，導緻載流子積累和傳輸效率降低。這些挑戰限製了鈣鈦礦太陽能電池的進一步發展，因此需要有效的鈍化策略來提高其效率和穩定性。

這篇文章的研究為鈣鈦礦太陽能電池的性能提升提供了新的思路，通過結合化學鈍化和場效應鈍化的方法，實現了效率和穩定性的雙重提升，這對於鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用具有重要意義。

（1）鈍化策略與效率提升：研究采用PEAI和MgFx雙層鈍化策略，結合化學鈍化與場效應鈍化。PEAI與過量PbI₂反應形成二維鈣鈦礦層，鈍化表面缺陷；MgFx通過偶極子調節界面能級，產生場效應鈍化。這種協同作用使鈣鈦礦太陽能電池效率顯著提升，達到20.68%。

（2）穩定性與界面優化：雙層鈍化有效提高鈣鈦礦薄膜疏水性，阻擋水分侵蝕，使電池在45天後仍保有90%初始效率。同時，MgFx誘導界面電偶極子形成，優化能級排列，降低界面能級偏移，提升載流子傳輸效率。

（3）綜合性能提升：該策略改善載流子動力學，延長載流子壽命，提高遷移率，降低陷阱態密度，減少非輻射複合損失；增強光學性能，提升光吸收能力，從而全面提升鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩定性。

研究采用了多種測試表征技術，包括掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、光緻發光（PL）、時間分辨光緻發光（TRPL）、光緻發光量子產率（PLQY）、空間電荷限製電流（SCLC）、X射線光電子能譜（XPS）、密度泛函理論（DFT）計算、開爾文探針力顯微鏡（KPFM）、紫外光電子能譜（UPS）、Mott-Schottky測量、瞬態光電壓（TPV）及瞬態光電流（TPC）等技術對鈣鈦礦薄膜和器件性能進行了全面表征。 

圖1.（a）鈣鈦礦薄膜的俯視圖掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（插圖為水接觸角的統計直方圖）。（b）經不同鈍化層處理的鈣鈦礦薄膜的X射線衍射（XRD）光譜。（c）無電子傳輸層（ETL）和（d）有ETL的情況下的穩態光緻發光（PL）光譜（光從鈣鈦礦表面入射）。（e）具有不同鈍化層的鈣鈦礦薄膜的光緻發光量子產率（PLQY）。（f）具有不同鈍化層的鈣鈦礦薄膜的開路電壓非輻射複合損失（〖ΔV〗_OC^(non-rad)）計算值。（g）具有不同鈍化層的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（WB-PSCs）的準費米能級分裂（QFLS）（玻璃/ITO/空穴傳輸層（HTL）/鈣鈦礦/PEAI/MgFx）和開路電壓（VOC）。（h）空穴-only器件的空間電荷限製電流（SCLC）光譜。

圖2.（a）對照器件和改進器件（雙層鈍化）的鈣鈦礦層降解機製。不同鈍化層（對照、PEAI、MgFx和雙層鈍化）處理的鈣鈦礦薄膜的X射線光電子能譜（XPS）：（b）Pb 4f和（c）I 3d信號。（d）用PEAI鈍化的3D鈣鈦礦表面和（e）用MgFx鈍化的3D鈣鈦礦表面的密度泛函理論（DFT）優化晶體結構（MgF⁺的F端吸附在鈣鈦礦表面）。

圖3.（a）不同處理（對照、PEAI、MgFx和雙層鈍化）的鈣鈦礦薄膜的開爾文探針力顯微鏡（KPFM）圖像和（b）紫外光電子能譜（UPS）光譜。（c）未處理和（d）雙層鈍化處理的電子傳輸層（ETL）和鈣鈦礦薄膜的界面能級圖。（e）對照、（f）PEAI鈍化和（g）MgFx鈍化的鈣鈦礦的能帶結構圖。

圖4.（a）基於不同鈍化層的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的莫特-肖特基曲線，（b）奈奎斯特圖，（c）−dJ/dV 對 (JSC−J)-1圖，（d）瞬態光電壓（TPV），以及（e）瞬態光電流（TPC）。（f）TPV 衰減時間與載流子密度強度的關系。（g）填充因子（FF）損失機製示意圖。（h）暗電流-電壓（J-V）曲線。（i）不同鈍化層處理的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（WB-PSCs）的開路電壓（VOC）隨光強變化的關系圖。

圖5.（a）經不同條件處理的最佳寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池（WB-PSCs）的電流密度-電壓（J-V）曲線。（b）不同鈍化層處理的WB-PSCs的外部量子效率（EQE）光譜及相應的積分短路電流密度（Jsc）。（c）在AM 1.5G光照下最大功率點（MPP）的跟蹤。（d）對照組和（e）雙層鈍化處理的WB-PSCs在不同溫度下的歸一化功率轉換效率（PCE）隨儲存時間的變化。每種情況下的PCE值均以各自最大值為基準進行歸一化處理，數據為5個器件的平均值。（f）阿倫尼烏斯（Arrhenius）速率常數圖。

圖 瞬態光電流TPC/光電壓TPV測量儀TranPVC 900

東譜科技早於2017年推出該設備TranPVC 100，TranPVC面市後，迅速得到客戶的認可。目前在光伏、光催化、光探測等研究領域的關注度高，有很好的用戶基礎。TranPVC 發展至今，完成了全系列的產品升級—TranPVC 900。TranPVC 900集成了數種最前沿的瞬態測量模式，包括瞬態光電TPV、瞬態光電流TPC、瞬態光電荷TPQ、電荷抽取CE、開路電壓上升與衰減Voc Riseand Decay、探測器響應時間TRTF、On-off TPV、On-off TPC等數種前沿的測量模式。為光電器件的機理研究提供了強有力的、便捷的測試工具。

▍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