2025-12-02 09:40:53 光焱科技股份有限公司
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研发背景与挑战
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钙钛矿光伏器件(PSCs)凭借低成本制程与优异的电荷载流子特性,受到学术界广泛关注。然而,具备认证准稳态效率超过26%的倒置钙钛矿电池(inverted PSCs)报道仍然较少。主要效能瓶颈来自不可避免的非辐射复合损失,特别是发生在钙钛矿层与电子传输层(ETL)界面处的缺陷介导复合。
该研究由韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授、华中科技大学陈炜教授、刘宗豪教授领导,联合多个机构研究人员共同完成,成果发表于学术期刊《自然能源》(Nature Energy)。研究目标是通过优化钙钛矿/ETL界面来降低非辐射复合损失。研究团队采用表面相转变策略,具体做法是在二碘化哌嗪(PDI)的异丙醇(IPA)溶液中引入微量的极性质子惰性溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP),形成IPA-N处理体系。
IPA-N策略的核心在于NMP诱发钙钛矿表面在后处理阶段发生独特的结晶路径:从溶剂化中间相直接转变为光活性α相钙钛矿,从而绕过传统的δ中间相→α相途径。该机制显着提高了钙钛矿表面的结晶质量并减少了接触损失,同时NMP增强了PDI与钙钛矿的相互作用,进一步优化了界面能带对准。


QFLS表征与载流子动力学解析
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为定量评估IPA-N策略在抑制界面非辐射复合方面的效果,该研究采用光致发光量子产率(PLQY)测量,并据此推算准费米能级劈裂(QFLS)值。QFLS是评估太阳能电池中非辐射复合损失的关键指标,其数值越高,表示非辐射复合损失越少,开路电压(Voc)损失越小。
QFLS测量方法与数据
研究人员根据详细平衡原理,结合PLQY结果,计算了不同处理条件下钙钛矿薄膜(带有或不带有PC61BM电子传输层)的QFLS。计算黑体辐射饱和电流密度J0,rad时,采用与EQE相关的计算方法,最终得出J0,rad约为8.17×10^-21 A·m^-2(图S30)。

未经PC61BM覆盖时,IPA-N处理的薄膜展现出最高的PLQY(约7.12%),对应的QFLS为1.210 eV(表S2)。
在沉积PC61BM(w/ PCBM)后,对照组薄膜的PLQY显着下降至1.85%,QFLS为1.174 eV(表S2)。
IPA-N处理的薄膜在沉积PC61BM后,仍能保持超过70%的初始PLQY(约5.21%),其QFLS达到1.202 eV(表S2)。

通过QFLS数据对比可知,IPA-N处理的样品相较于对照组,QFLS提升了28 meV。该提升表明IPA-N策略有效抑制了钙钛矿/PC61BM界面的非辐射复合,体现了QFLS在量化界面损失中的核心作用(图S31)。

载流子动力学与均匀性表征
为进一步佐证非辐射复合的抑制,研究采用时间分辨光致发光(TRPL)测量和激光共聚焦荧光寿命成像显微术(FLIM)。
TRPL测量: 结果显示,IPA-N处理的钙钛矿薄膜载流子平均寿命τave延长至3.91 μs,远高于对照组的1.18 μs和IPA组的2.09 μs。载流子寿命的延长直接证实了非辐射复合的有效抑制(表S1、图S26)。


PL Mapping (FLIM): FLIM成像结果(图3a-c)表明,IPA-N体系处理的薄膜,其PL寿命均匀性得到改善。这显示了IPA-N提升了表面电学特性的均匀性,对于减少大面积器件的界面接触损失至关重要。

紫外光电子能谱(UPS): 经IPA-N处理后,钙钛矿表面的费米能级(EF)更靠近导带最小值(CBM),有利于电子提取(表S3)。伴随费米能级的调整,导带附近的电子密度(η)从对照组的2.2×10^7 cm^-3增加到IPA-N组的3.4×10^11 cm^-3,这归因于IPA-N体系的n型掺杂效应增强(图3f)。


飞秒瞬态吸收光谱(fs-TA)也观察到IPA-N样品具有更快的基态漂白(GSB)恢复速度,印证了电子在钙钛矿/ETL界面提取效率的提高(图3i)。


结论与研究成果
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该研究证实了基于溶剂化中间相驱动的表面相转变策略(IPA-N)能够有效优化倒置钙钛矿太阳能电池的界面质量。
主要成果总结
该策略使单结钙钛矿电池取得了26.87%(稳态效率)的认证效率,填充因子高达86.06%(图S41)。在大面积制备方面,迷你组件(孔径面积11.09 cm^2)的认证效率达23.00%(图S47)。

该方法还成功应用于全钙钛矿叠层太阳能电池,获得了29.08%的认证效率(图S59)。器件稳定性表现突出,在环境空气中、65°C的条件下,持续光照2,500小时后仍维持初始效率的96%(图4d)。

QFLS的核心贡献
QFLS表征在本研究中发挥了关键作用,它将微观的结晶动力学调控效果转化为宏观的电学性能指标。通过QFLS数值的定量提升(28 meV),研究人员直接证明了IPA-N策略在抑制界面非辐射复合损失方面的实质贡献。QFLS数据与载流子寿命(TRPL)以及界面电学特性(UPS, fs-TA)等其他表征结果高度一致,共同构建了IPA-N提高器件效率与稳定性的机制图景。
原文信息
文章标题:Solvated-intermediate-driven surface transformation of lead halide perovskites
出处(期刊名称):nature energy
出版日期:2025.11.21
DOI:https://doi.org/10.1038/s41560-025-01912-8
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