特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。盡管金屬鹵化物鈣鈦礦被認為是“缺陷容忍”的，但它們仍然需要精細的結晶和生長。金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的效率和壽命通常由非輻射缺陷介導的電荷復合決定。大的有機分子可以使多晶鈣鈦礦薄膜的內部發光效率接近統一并產生穩定的鈍化，通常會抑制鈣鈦礦薄膜中的載流子傳輸，但尚未在高性能太陽能電池中得到證實。盡管鈍化鈣鈦礦薄膜表現出優異的光致發光量子產率（PLQY）特性，但其中一些基于胺的分子鈍化策略尚未被證明可以有效實現高效率或接近輻射極限的光伏（PV）參數，缺乏適用于更廣泛的鈣鈦礦成分的通用策略。 有鑒于此，牛津大學Henry J. Snaith、Yen-Hung Lin等人展示了一種基于蒸汽的氨基硅烷鈍化劑，可將帶隙在1.6至1.8eV之間的鈣鈦礦太陽能電池中的光電壓缺陷降低至100 mV左右（>熱力學極限的90%），這對于串聯應用至關重要。單獨的伯氨基硅烷、仲氨基硅烷或叔氨基硅烷對鈣鈦礦結晶度和電荷傳輸產生負面影響或幾乎沒有影響，但結合伯胺和仲胺的氨基硅烷可使光致發光量子產率增加高達60倍，并保持長程傳導。經過氨基硅烷處理的器件在85°C 的全光譜陽光和相對濕度為50%至60%的環境空氣開路條件下可以保持95%的功率轉換效率超過1500小時。研究表明APTMS 分子強烈影響整個鈣鈦礦薄膜的結晶度，引入短程散射缺陷或破壞結晶域，以至于電荷載流子經歷短程散射且載流子遷移率受到嚴重限制。作者通過GIWAXS探究了鈍化分子的形成，并結合理論計算表明表面存在O-Pb和N-Pb化學鍵，這種多齒相互作用增加了表面有效鈍化。作者制造并測量了一系列太陽能電池，篩選出氨基硅烷分子AEAPTMS對 Cs13Br10基鈣鈦礦的光伏性能參數帶來了最大的改善，表明具有優異的電池性能和長期穩定性及環境壓力抵抗力。1、設計了一種適用于帶隙范圍為1.6~1.8 eV的鈣鈦礦的通用鈍化策略作者使用了一系列偶聯劑分子和各種類型的胺(一級、二級、三級或其組合)來探索潛在的光電和材料機制，并設計了一種基于蒸汽的氨基硅烷鈍化劑的適用于帶隙范圍為1.6~ 1.8 eV的鈣鈦礦的通用鈍化策略。利用已確定的高效氨基硅烷分子，展示了中等和大面積鈣鈦礦太陽能電池，所有用性能最佳的氨基硅烷分子化合物鈍化的鈣鈦礦太陽能電池都實現了低至 100至 120 mV的光電壓缺陷，超過了熱力學極限光電壓的 90%。3、開發的鈍化策略顯著增強了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性本工作開發的鈍化策略顯著增強了鈣鈦礦太陽能電池的耐用性，使其在全光譜模擬陽光下保持95%的效率超過1500小時。作者研究了基于伯胺的( 3 -氨丙基)三甲氧基硅烷( APTMS)分子使用氣相處理對陽離子混合鉛，混合陰離子鈣鈦礦薄膜及其相應的正-本征-負( p-i-n )鈣鈦礦太陽能電池的影響。測量結果表明，APTMS處理前后鈣鈦礦薄膜的PLQY大幅增加，但經過APTMS處理的電池的PV性能差，且J-V特性表現出明顯的滯后。接著，作者更深入地研究了使用氨基硅烷分子鈍化的影響，表明AEAPTMS 鈍化特別抑制了鈣鈦礦/ETL界面處的非輻射復合，太赫茲遷移率測量、XRD圖譜和紫外-可見吸收光譜表明，APTMS 分子強烈影響整個鈣鈦礦薄膜的結晶度，引入短程散射缺陷或破壞結晶域，以至于電荷載流子經歷短程散射并且載流子遷移率受到嚴重限制。 接著，作者通過GIWAXS研究了處理前后的Cs13Br10鈣鈦礦薄膜的取向和結晶度，探討了APTMS、MAPTMS和AEAPTMS如何影響金屬鹵化物鈣鈦礦。結果表明， AEAPTMS 處理前后，大塊鈣鈦礦的各向同性取向得以保持。基于理論計算和實驗表征，除了N-Pb 相互作用之外，作者還觀察到平均鍵長為 2.80 ? 的 O-Pb 鍵合。所有物質周圍電荷密度分布的變化顯示表面 Pb 陽離子周圍的硅烷表面電荷轉移，再次表明O-Pb和N-Pb化學鍵。這種多齒相互作用增加了表面的結合或錨定強度并增強了有效的鈍化。 作者制造并測量了一系列太陽能電池，篩選出氨基硅烷分子AEAPTMS對 Cs13Br10基鈣鈦礦的光伏性能參數帶來了最大的改善，也表現出增強的 PV 性能。此外，為了證明鈍化處理的兼容性，作者用蒸發的C60和BCP ETL堆棧制造 Cs17Br23，證實了該方法適用于串聯電池。AEAPTMS 分子普遍可以將VOC 提高到熱力學極限的90% 以上，且在采用中面積0.25 cm2和大面積1 cm2的光伏電池尺寸時表現出出色的性能。作者還研究了AEAPTMS如何影響太陽能電池的長期運行穩定性，結果表明經過AEAPTMS處理的電池在老化過程中表現出顯著的運行穩定性。作者還進一步檢查了對環境壓力源的恢復能力，經過 AEAPTMS 處理的鈣鈦礦薄膜表現出顯著的抵抗力。 總之，本工作研究結果表明，具有不同伯胺、仲胺和叔胺官能團的氨基硅烷分子顯著影響金屬鹵化物鈣鈦礦的PLQY、晶序和載流子遷移率。AEAPTMS作為一種特殊的表面鈍化劑，與鈣鈦礦表面建立了強大的鍵合親和力，顯著提高了帶隙范圍為1.6至1.8 eV的鈣鈦礦的PLQY，使其輻射性能更接近理論熱力學極限。此外，經過AEAPTMS處理的鈣鈦礦太陽能電池在強烈的高溫、光老化條件下表現出最先進的長期穩定性。Yen-Hung Lin, et al. Bandgap-universal passivation enables stable perovskite solar cells with low photovoltage loss. Science, 2024, 384(6697):767-775.DOI: 10.1126/science.ado2302 https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2302
