AM. 兰州大学曹靖：双向配位卟啉，n-i-p 组件效率突破 24.49% ZnTPPS双向配位 稳定SnO2埋入界面

研究背景

小面积钙钛矿太阳能电池（PSCs）的认证光电转换效率（PCE）已超过 27%，但大面积钙钛矿太阳能组件（PSMs）效率仅约 23%。这一性能差距主要源于器件尺寸扩大时缺陷的积累，特别是钙钛矿层与电子传输层（ETL）的埋入界面。在 n-i-p 结构中，常用的 ETL 材料 SnO2采用化学浴沉积（CBD）制备，但 CBD 工艺易在界面产生氧空位，形成界面陷阱，加剧非辐射复合，并阻碍载流子提取与传输。组件尺寸放大时这种效应更加明显，导致填充因子（FF）与开路电压（Voc）下降。因此需要有效且环境友好的界面修饰剂，实现稳健的界面钝化并提升载流子传输效率。

该研究由兰州大学曹靖教授主导，成果发表于《Advanced Materials》。研究团队采用溶液可加工的四磺酸化卟啉中间层——锌(II) 5,10,15,20-四(4-磺酸苯基)卟啉（ZnTPPS）。该分子具有较强电子吸取特性与高达 10.12 D的内禀偶极矩，四个磺酸基团赋予其良好水溶性，可通过水基后处理垂直锚定于SnO2/钙钛矿界面。ZnTPPS 通过双向化学配位运作：两个磺酸基团与 SnO2 中的 Sn 原子键合，另外两个与钙钛矿晶格中的 Pb 配位，同时钝化界面缺陷并强化界面耦合。（图1b）

这种双重钝化-偶极机制促进了电子从钙钛矿到 SnO2 的快速提取与传输。经此策略处理，小面积 n-i-p 器件达到 26.66%的 PCE，大面积微型组件（21.54 cm2有效面积）则达到 24.49%（认证值 23.95%）。（图6b、6e）

准费米能级分裂（QFLS）表征与解析

QFLS的测量通过在不同光照强度下测量钙钛矿薄膜的光致发光（PL）强度，再根据光致发光量子效率（PLQY）与吸收系数等参数计算得出。

研究比较了原始 SnO2/钙钛矿体系与经 ZnTPPS 修饰的 SnO2/ZnTPPS/钙钛矿体系的 QFLS 曲线（图5a-c）。结果显示，SnO2/ZnTPPS/钙钛矿体系在所有光照强度下均呈现更高的 iVoc。在等效一个太阳光照强度下，经 ZnTPPS 处理的器件呈现更高的 QFLS，直接验证了载流子分离效率的提升。

这些图表呈现了不同光照强度下，SnO2 上和经 ZnTPPS 修饰的 SnO2 上钙钛矿薄膜的 QFLS 曲线。经 ZnTPPS 处理的体系显示出更高的 QFLS 值，与器件 Voc 的提升趋势一致。

QFLS的提升直接归因于非辐射复合（non-radiative recombination）的有效抑制。为进一步理解载流子动力学和复合机制，研究进行了多项光电检测：

• 时间分辨光致发光（TRPL）：TRPL 测量结果（图S11）显示，经 ZnTPPS 处理的钙钛矿薄膜载流子寿命延长至 534 ns，相较于未处理的 423 ns 明显提高。这证实了陷阱介导复合（trap-mediated recombination）的减少。

• 稳态光致发光（PL）与 PL 猝灭：从器件的 ETL 侧进行稳态 PL 测量（图3h），ZnTPPS 修饰器件显示出明显的 PL 猝灭现象。这一现象证明了在 SnO2/ZnTPPS/钙钛矿界面处的载流子提取效率更高，且能障降低。

• 电致发光（EL）与 PL 均匀性（图6d, 图S27）：对 6×6 cm2 组件进行的 PL 映射（图6d）和 EL 测量（图S27）显示，经 ZnTPPS 处理的组件表现出更均匀且更亮的发光。EL 亮度与辐射复合效率呈正相关，直接影响 Voc 和 FF。这种均匀的高亮度表明非辐射复合减少，界面缺陷钝化有效，并证实了钙钛矿薄膜在大面积制备中仍保持优异质量和均匀的载流子传输。

• 理想因子（Ideality     Factor）：光强度依赖性的 Voc 分析显示，ZnTPPS     修饰器件的理想因子为 1.22，接近理论值 1，远低于对照组的 1.55。这表明肖克利-里德-霍尔（SRH）复合得到了明显抑制。（图S16a）

QFLS在此研究中扮演了定量角色，直接将界面修饰的微观效果与器件的宏观电学性能（尤其是Voc）联系起来。通过测量 QFLS 值的提升，研究团队明确验证了 ZnTPPS 引入的双向配位和强偶极矩机制，确实减少了界面处的陷阱态密度（Ntrap，从 3.14×10^15 cm^-3 降至1.27×10^15 cm^-3），从而抑制了非辐射复合，最终实现了更高的iVoc。

结论与研究成果

研究展示了利用水溶性四磺酸化卟啉 ZnTPPS作为界面层，实施环境友好的界面工程策略。ZnTPPS通过与 SnO2 和钙钛矿层的双向化学配位，结合其内禀偶极矩（10.12 D），钝化了界面缺陷，并优化了能级对齐，促进了载流子的高效提取和传输。在器件性能方面，小面积器件达到了26.66% 的PCE，大面积微型组件则达到了 24.49%（认证值 23.95%）。

这一基于双向化学配位的界面工程策略，为制造高效钙钛矿光电器件提供了具有可扩展性和环境友好性的途径。经过ZnTPPS 修饰的组件在连续最大功率点跟踪（MPPT）超过 1500 小时后，仍能保持初始效率的 90%。这一成果展现了该策略在提高器件运行稳定性方面的应用潜力，为缩小实验室性能与组件级应用之间的差距提供了实际解决方案。（图6g）