載流子壽命0.6→3.0 ms，FF達86.2%——4Cl-BZS雙位點配體重塑倒置鈣鈦礦電池界面電荷抽取

1 背景與問題

倒置（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池因其優異的工作穩定性而備受關注，但在功率轉換效率（PCE）方面一直落後於傳統的n-i-p結構器件。造成這一效率差距的主要原因在於鈣鈦礦層與電荷傳輸層之間的界面處存在較大的能量損失。

這些界面問題主要由帶隙失調和能級釘紮引起，而表面缺陷（如配位不足的鉛離子Pb²⁺）的存在進一步加劇了非輻射複合，限製了光電壓和填充因子（FF）。傳統的單點結合配體雖然能鈍化缺陷，但往往會垂直於表面形成緻密堆積，從而在鈣鈦礦與電子傳輸層之間引入不希望的電阻勢壘。為了解決這一難題，研究人員需要開發新型的界面修飾策略，並利用高精度的瞬態測試技術來深入解析界面處的電荷傳輸與複合動力學。

2 核心方案

在發表於 Science的研究中，Edward H. Sargent 團隊提出了一種創新的“雙位點結合配體”策略。研究人員篩選並合成了4-氯苯磺酸（4Cl-BZS）配體，該配體能夠以平面構型結合鈣鈦礦表面兩個相鄰的Pb²⁺ 缺陷位點。

與垂直排列的傳統配體不同，4Cl-BZS平行於鈣鈦礦表面排列，這種構型不僅有效鈍化了表面缺陷，減少了非輻射複合，還顯著降低了界面處的電阻，從而實現了更高效的電荷抽取。為了驗證這一理論，研究團隊結合了密度泛函理論（DFT）計算與多種先進的光電表征技術，特別是利用瞬態光電流（TPC）和時間分辨光緻發光（TRPL）來精確量化電荷提取速度和載流子壽命。

圖1. 氮雜苯（BZS）、4CHCH₃-BZS和 4Cl-BZSSS氮雜苯配體的DFT研究及其預測取向。（A）BZS、4CHCH₃-BZS和 4Cl-BZSS配體的結構與靜電勢。（B）配體在鈣鈦礦表面以垂直取向吸附（Conf-perp）的原子結構。（C）配體在鈣鈦礦表面以平面或平行取向吸附（Conf-para）的原子結構。（D）配體與鈣鈦礦表面平行和垂直取向之間的形成能差（EConf-para − EConf-perp）。（E）不同分子（BZS、4CHCH₃-BZS和 4Cl-BZS）在鈣鈦礦表面吸附時的C₆₀吸附能（Eads）。

3 實驗結果與分析

通過一系列精密的實驗表征，研究團隊證實了雙位點配體在提升器件性能方面的顯著優勢。

3.1 載流子動力學與壽命提升

利用 時間分辨光緻發光（TRPL） 測試，研究人員發現4Cl-BZS 處理後的薄膜載流子壽命顯著延長。

壽命數據：4Cl-BZS處理後的薄膜加權平均壽命達到3.0 ms，而對照組僅為0.6 ms。

光緻發光量子產率（PLQY）：處理後的薄膜PLQY 從 20% 提升至41%，翻了一倍，對應準費米能級分裂（QFLS）預計增加20 mV。

3.2 電荷抽取效率驗證

為了直接探測界面處的電荷轉移情況，研究團隊進行了 瞬態光電流（TPC） 測量。

TPC 結果：與 BZS和 (4 CH₃)-BZS 導緻的光電流衰減較慢不同，4Cl-BZS處理導緻了 更快的TPC 衰減。

結論：這種快速的衰減表明電子從鈣鈦礦到C60電子傳輸層的提取變得更加高效，有力地證明了平行配體構型減少了界面電阻。

圖2.鈣鈦礦薄膜的表面配位與鈍化。

（A）Pb 4f XPS光譜。（B）純4Cl-BZS薄膜的Cl 2p XPS光譜與經4Cl-BZS處理的鈣鈦礦薄膜光譜對比。（C）在石英基底上未處理和已處理鈣鈦礦薄膜的PLQY（光緻發光量子效率），以及含/不含處理的完整器件堆疊結構（FTO/SAMs/鈣鈦礦/C60）的PLQY結果。（D）未處理和已處理鈣鈦礦薄膜的TRPL壽命。各信號壽命采用雙指數衰減模型計算得出。（E）從TRPL光譜中提取的載流子壽命差值。（F）未處理和已處理器件的瞬態光電流（TPC）測量結果。

3.3 器件性能與穩定性

基於優化的配體處理，倒置鈣鈦礦太陽能電池實現了創紀錄的效率。

認證效率：0.05 cm2 和 1.04 cm2 器件的認證準穩態（QSS）PCE分別達到 26.15% 和24.74%。

關鍵參數：開路電壓VOC為1.18V，填充因子FF高達86.2%。

穩定性：在 65°C下進行連續 1太陽最大功率點（MPP）運行1200 小時 後，器件仍保持了95% 的初始效率。

圖3. 反向太陽能電池的光電性能與穩定性。

(A) 器件結構的橫截面SEM圖像。(B) 30個對照器件和4Cl-BZS處理器件的PCE統計數據。中心線表示中位數，箱體上下限為四分位數，以太線表示最小值和最大值；垂直曲線表示數據分布。(C)采用雙分子鈍化處理的4Cl-BZS處理器件的J-V曲線。圖inset 顯示了穩定後的PCE。(D) Newport認證的QSS J-V曲線。(E) Newport認證的QSS J-V曲線。(F)近年來發表的nip和pin PSC性能總結。(G) ISOS-D-2I器件在85°C下儲存1500小時後的穩定性。(H)在相對濕度50%、熱沉溫度65°C、模擬1太陽光照條件下，封裝對照器件和4Cl-BZS處理器件的MPP穩定性追蹤。4Cl-BZS處理器件在運行1200小時後仍保持初始效率的95%。

4 產品介紹

TranPVC

瞬態光電流/光電壓/光電荷測量系統

TranPVC是一款TPV、TPC與TPQ專用瞬態光電測量平台，用於研究完整工況器件中的載流子傳輸、積累、複合和抽取。系統集成高速采集、封閉光路、可視化樣品倉及多種瞬態模式。適用於鈣鈦礦、有機光伏、光電探測器和光催化器件等動力學研究。TPV、TPC、TPQ和電荷抽取是研究鈣鈦礦、有機光伏及光電器件載流子壽命、抽取、積累和複合的重要方法。TranPVC在完整器件和可控偏置/光照條件下測量，可用於判斷界面改性、傳輸層和器件結構的實際影響。

4.1 技術特點

集成TPV、TPC、TPQ、電荷抽取、Voc上升/衰減、探測器響應及on-off TPV/TPC等測量模式；

采集模塊達到5 GS/s采樣率、1 GHz帶寬、4 GS緩存和最小200 ps時間分辨率，可捕獲快速光電瞬態；

提供多檔電壓與電流量程、可視化樣品倉精確調整光斑位置；

支持多通道軟件切換、惰性氣氛夾具、偏置光、變溫和不同激光源耦合，適配未封裝敏感器件；

高速采集、多檔量程、平均功能和可視化對位用於在不同偏置與光照條件下獲得可靠的瞬態信號。

4.2 產品優勢

TPQ與TPV/TPC聯合分析建立鮮明技術差異，可更完整地解析器件內部電荷動力學；

面向最終工況器件測量，所得參數與器件實際工作過程關聯度高於僅針對材料的間接表征；

自動化、封閉光路及氣氛/變溫擴展降低複雜瞬態實驗門檻並提高長期複現性；

TPQ與TPV/TPC、CE聯合測量能夠同時分析電荷量、壽命與抽取過程，比單一瞬態方法提供更完整的器件動力學信息。

原文參考：Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands