表面鈍化處理能夠快速提高鈣鈦礦太陽能電池的性能，但是目前的表面鈍化技術(shù)使用的銨配體在受到光和熱的情況下容易發(fā)生脫質(zhì)子。有鑒于此，西北大學(xué)/多倫多大學(xué)Edward H. Sargent、西北大學(xué)Mercouri G. Kanatzidis、Bin Chen等報道一系列脒（amidinium）配體分子，通過增強的N-H化學(xué)鍵促進脫質(zhì)子問題，改善鈍化的鈣鈦礦表面層的熱穩(wěn)定性。對配體脫質(zhì)子的脫質(zhì)子平衡提高>10倍，在85℃空氣氣氛光照過程中，熒光量子效率提高2倍。通過這種方法開發(fā)了認證功率達到26.3%的鈣鈦礦太陽能電池。在85℃最大功率點運行1100h后，太陽能電池的效率仍達到≥90%。理論計算穩(wěn)定性。使用DFT理論計算研究脒化（amidination）對于銨分子脫質(zhì)子化的影響。常用的場效應(yīng)鈍化劑或者化學(xué)鈍化劑，比如丙烷-1,3-二銨碘鹽（PDAI2）、丁基碘化銨（BAI）、3-(甲硫基)丙基碘化銨（3MTPAI）、4-氟芐基碘化銨（4FBAI）在修飾脒之后，N-H化學(xué)鍵的解離能分別提高13%、18%、29%、23%。實驗測試穩(wěn)定性。通過滴定法研究配體脫質(zhì)子化，得到酸解離常數(shù)（pKa），發(fā)現(xiàn)脒化后的分子比銨分子的pKa至少提高10%，對應(yīng)于脫質(zhì)子常數(shù)pKa降低>90%，驗證了脒化能夠阻礙脫質(zhì)子化。實驗測試發(fā)現(xiàn)，PDII2（丙二脒氫碘鹽）和4FBII（4-氟苯脒氫碘鹽）在FTO/自組裝單層/鈣鈦礦/鈍化層/C60/SnOx/Cu結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池得到優(yōu)異的界面鈍化效果。使用質(zhì)譜（MS）和熱重（TGA）組合的體系研究加熱脒配體分子的揮發(fā)性物質(zhì)，研究脫質(zhì)子情況，結(jié)果驗證脒化能夠抑制配體分子的脫質(zhì)子化。
金屬載體相互作用本質(zhì)
通過旋涂法，將配體分子的異丙醇溶液旋涂到鈣鈦礦薄膜，SEM表明異丙醇沖刷導(dǎo)致表面階梯消失，XRD表征發(fā)現(xiàn)鈍化處理導(dǎo)致低維鈣鈦礦物種消失。在85℃高溫加速老化、1個太陽光照射、50% RH濕度環(huán)境處理2h的方式處理表面鈍化鈣鈦礦薄膜，研究鈍化的效果。XPS測試深度分析，發(fā)現(xiàn)不含脒官能團的PDAI2在老化處理后，鈍化分子的銨基損失嚴重。但是含脒的鈍化配體分子的XPS基本上沒有變化，與含脒配體導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜鈍化的實驗結(jié)果相符。通過ToF-SIMS（飛行時間二次離子質(zhì)譜）表征進一步驗證了老化過程種的銨配體分解，但是由于脒具有更好的耐脫質(zhì)子性質(zhì)，因此PDII2（丙二脒氫碘鹽）和4FBII（4-氟苯脒氫碘鹽）的信號保留93%和80%。
雙分子脒鈍化
雙分子鈍化策略通過提供場效應(yīng)和化學(xué)鈍化作用能夠排斥空穴載流子，而且能夠與缺陷位點產(chǎn)生化學(xué)鍵，因此改善鈣鈦礦電子傳輸層的載流子復(fù)合。因此，開發(fā)了脒的雙分子鈍化方法。使用UPS（紫外光電子能譜）研究脒分子和脒鈍化鈣鈦礦的功能。測試導(dǎo)帶底和Fermi能級之間的差值，用于研究鈣鈦礦表面附近的導(dǎo)帶電子密度。測試結(jié)果表明，與未做任何處理或有機銨配體4FBII的鈣鈦礦相比，PDII2處理的電子濃度分別提高5×1010cm-3和8×10-3cm-3，驗證了PDII具有場鈍化效應(yīng)。進一步的，當(dāng)使用雙分子脒（PDII2和4FBII）處理鈣鈦礦薄膜，電子濃度達到5.2×1014cm-3，表現(xiàn)為n型摻雜，效果與PDAI2/3MTPAI雙分子銨處理結(jié)果類似。通過時間分辨熒光光譜和熒光量子產(chǎn)率表征技術(shù)，驗證雙分子脒對表面和界面復(fù)合的抑制功能。 驗證雙分子脒改善反式鈣鈦礦的性能。使用PDII2/4FBII雙分子脒處理的反式鈣鈦礦的效率達到25.9%，比對比器件性能更高（23.7%）。超過了使用PDAI2/3MTPAI雙分子銨處理的反式鈣鈦礦器件效率(最高為25.4%)。PDII2/4FBII雙分子脒處理的面積為0.05cm2鈣鈦礦電池器件的效率最高能夠達到26.7%，短路電流密度達到26.5mA cm-2，Voc達到1.18V，填充因子達到85.5%。大面積（1.04cm2）太陽能電池的效率達到25%。經(jīng)過認證的PDII2/4FBII雙分子脒處理的鈣鈦礦太陽能電池效率為26.3%。穩(wěn)定性測試。使用ISOS-L-3標(biāo)準(zhǔn)測試封裝太陽能電池器件的穩(wěn)定性，測試結(jié)果表明T90壽命為1130h，對比有機銨處理的PDAI2/3MTPAI鈣鈦礦太陽能電池在相同情況效率損失35%。這個穩(wěn)定性測試結(jié)果表明雙分子脒處理的鈣鈦礦太陽能電池器件實現(xiàn)了改善電池效率和穩(wěn)定性的結(jié)合。 Yi Yang et al. ,Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells. Science 386,898-902(2024)DOI: 10.1126/science.adr2091https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2091
