金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池因其優異的光電性能、低廉的製備成本和溶液可加工性而備受關注。近年來，這類太陽能電池的實驗室規模單結電池的光電轉換效率（PCE）已達到27%。然而，有機-無機雜化鈣鈦礦的熱不穩定性限製了其長期穩定性。有機陽離子的高揮發性導緻其在長期工作中性能下降，尤其在高溫高濕環境下更為明顯。全無機CsPbI₃鈣鈦礦因其高熱穩定性和理想帶隙成為研究熱點，其效率從2015年的2.9%提升至22.20%。但全無機CsPbI₃鈣鈦礦太陽能電池的性能仍受限於鈣鈦礦/電子傳輸層（ETL）界面缺陷和不可控的鈣鈦礦結晶過程。傳統TiO₂電子傳輸層存在氧空位缺陷，與鈣鈦礦層能級不匹配，且晶格常數失配導緻界面應力。

此外，CsPbI₃的結構不穩定性使其在低溫下易從光活性α相轉變為非活性δ相，傳統溶液法製備的鈣鈦礦薄膜結晶不均勻，導緻高密度缺陷，嚴重阻礙載流子傳輸。為解決這些問題，研究者們緻力於開發能同時解決界面缺陷和結晶問題的多功能添加劑，以實現全無機CsPbI₃鈣鈦礦太陽能電池的高效和穩定運行。

本研究通過使用五氟苯胺三氟甲磺酸鹽（PFNAT）作為多功能添加劑，實現了對全無機CsPbI₃鈣鈦礦太陽能電池界面缺陷的有效鈍化和晶體生長的調控，顯著提升了器件的光電轉換效率和穩定性。

（1）界面修飾效果顯著：PFNAT能有效錨定在TiO₂/鈣鈦礦界面，鈍化TiO₂和鈣鈦礦層的缺陷，抑製界面複合損失，使TiO₂能級上移，與鈣鈦礦能級更匹配，提高載流子傳輸效率。

（2）晶體生長調控有效：PFNAT降低CsPbI₃晶體表面能，促進鈣鈦礦結晶，提升薄膜結晶度，同時與鈣鈦礦層中暴露的Pb²⁺離子通過S═O鍵相互作用，減少碘空位缺陷密度。

（3）器件性能大幅提升：優化後的PFNATLI修飾器件實現了21.36%的光電轉換效率（PCE），開路電壓（VOC）為1.23 V，填充因子（FF）達83.44%。在1 cm²大面積器件中，PCE達17.41%；在弱光條件下（2956 K，1062 lux），PCE提升至41.27%。

（4）穩定性顯著增強：在5%相對濕度（RH）下，未封裝的器件存儲800小時後保留87.27%的初始效率，在氮氣氛圍中存儲900小時後保留95.45%的初始效率，展現出優異的環境和操作穩定性。

（5）多功能添加劑優勢凸顯：PFNAT作為多功能添加劑，能同時解決界面缺陷和結晶問題，簡化製備工藝，降低製造成本，為提升全無機CsPbI₃鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性提供了高效策略。

該研究涉及的測試表征技術主要包括：X射線光電子能譜（XPS）、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、開爾文探針力顯微鏡（KPFM）、空間電荷限製電流（SCLC）方法、紫外光電子能譜（UPS）、時間飛行二次離子質譜（TOF-SIMS）、紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、光緻發光（PL）和時間分辨光緻發光（TRPL）光譜、電緻發光（EL）和時間分辨電緻發光（TREL）光譜、電化學阻抗譜（EIS）、暗電流-電壓（I-V）特性、外量子效率（EQE）測量、拉曼光譜（Raman）、透射電子顯微鏡（TEM）、瞬態光電壓（TPV）和瞬態光電流（TPC）等。這些技術從化學狀態、晶體結構、表面形貌、電學性能、光學特性及穩定性等多方面對材料和器件進行了全面表征。

圖1. a）製備PFATLI-CsPbI3薄膜的工藝流程圖。b）PFAT的靜電勢能。c）PFAT分子中−SO3−和−CF3在TiO2表面吸附的優化模型。d）Ti 2p，和e）O 1s的XPS光譜，分別對應PFAT粉末、TiO2、TiO2/PFAT和TiO2/PFATLI薄膜。f）對照器件和目標器件的能級圖。

圖2. a) 對照膜和b) 目標膜的頂視掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖示為晶粒尺寸分布。c) 對照膜和目標膜的Pb 4f X射線光電子能譜(XPS)。d) 對照膜和e) 目標膜的二維掠入射廣角X射線散射(2D GIWAXS)圖案。f) 對照膜和目標膜的X射線衍射(XRD)圖譜。g) 對照膜和h) 目標膜底部在不同????角的掠入射X射線衍射(GIXRD)圖案。i) 根據GIXRD圖案的2????-sin²(????)函數擬合關系。

圖3. a) 對照膜和b) 目標膜的碘空位形成理論模型。c) 對照膜和目標膜的原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖案。d) 無PFAT和有PFAT的鈣鈦礦（100）晶面表面能的理論模型及計算結果。e) 對照膜和目標膜在210°C退火後的結晶過程示意圖。

圖4. a) 目標膜的飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）深度剖面。b) 對照膜、PFAT-PVK膜和目標膜的紫外-可見（UV-vis）光譜。c) 對照膜、PFAT-PVK膜和目標膜的光緻發光（PL）和d) 時間分辨光緻發光（TRPL）光譜。e) 對照膜和f) 目標膜底部的光緻發光映射光譜。g) 對照器件、PFAT-PVK器件和目標器件的瞬態光電壓（TPV）曲線。h) 對照器件、PFAT-PVK器件和目標器件的電化學阻抗譜（EIS）曲線。i) 基於電子輸運的對照器件、PFAT-PVK器件和目標器件的空間電荷限製電流（SCLC）曲線。

圖5. a) 對照器件和目標器件的電流密度-電壓（J−V）曲線。b) 開路電壓（VOC）、短路電流密度（JSC）、填充因子（FF）和光電轉換效率（PCE）的數據統計。c) 對照器件和目標器件的穩態PCE和JSC輸出。d) 對照器件和目標器件的外量子效率（EQE）及其積分電流密度曲線。e) 對照器件、PFAT-PVK器件和目標器件的暗電流-電壓（I−V）曲線。f) 活性面積為1 cm²的PFATLI改性鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的J−V曲線。g) 在2956 K、1062 lux的弱光條件下PFATLI改性PSCs的J−V曲線。h) 未封裝的對照器件和目標器件在氮氣氛圍中的長期穩定性。i) 未封裝的對照器件和目標器件在相對濕度為5%的環境條件下的長期穩定性。

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

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