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小面积n-i-p结构单结钙钛矿太阳电池的功率转换效率(PCE)已达到单晶硅太阳电池的水平(>25%)。然而，由于p-i-n结构钙钛矿太阳能电池的PCE较低，并且将小电池转移到组件后损失较大，这主要是由钙钛矿或电荷传输层的不均匀性引起的，因此认证的钙钛矿组件PCE仍然很低。改进结晶工艺和钝化表面缺陷等策略已被应用于进一步提高p-i-n结构器件的效率。
关键问题
然而，p-i-n结构器件性能的提升仍存在以下问题：钙钛矿-空穴-传输层(HTL)界面受到的关注较少，埋藏界面缺陷引起的界面载流子的非辐射复合可能会限制p-i-n结构钙钛矿太阳能电池的效率，钙钛矿在HTLs附近的光致发光(PL)量子产率明显较小。鉴于许多钝化分子在钙钛矿前体溶剂中的高溶解度，如2-甲氧基乙醇（2-ME）、二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO），因此在钙钛矿涂覆过程中可能会被冲走。在钙钛矿薄膜形成过程中以及设备长期运行过程中，晶界的底部界面会形成空洞，表明存在不可忽略的非晶态钙钛矿，可能导致器件性能不均匀，从而强烈影响组件效率和再现性。
新思路
有鉴于此，北卡罗来纳大学黄劲松等人报道了在HTL中添加铅螯合分子可以与铅离子（II）（Pb2+）强烈相互作用，导致HTL附近钙钛矿中的非晶区减少，钙钛矿底表面钝化。孔径面积为26.9cm2的最小模块的功率转换效率（PCE）为21.8%（稳定在21.1%），经国家可再生能源实验室（NREL）认证，这相当于整个组件面积的最小小电池效率为24.6%(稳定在24.1%)。在1太阳光照和开路电压条件下，HTL中具有铅螯合分子的小面积电池和大面积微模块的光吸收稳定性分别为3010和2130小时，效率损失为初始值的10%。
通过将钝化物种掺入HTL来钝化底部钙钛矿HTL界面，通过XRD、FTIR、XPS以及理论计算多种手段揭示BCP与Pb2+的强相互作用。作者LCM引入到PTAA层中，解析了混合在PTAA中的LCM如何影响钙钛矿HTL界面，证实了 BCP 对钙钛矿的钝化作用。作者证实了PTAA 中的BCP减少了捕获的DMSO的量，导致钙钛矿的无定形程度降低，减少了有缺陷的非晶钙钛矿，从而提高了器件效率和稳定性。作者制造了太阳能电池并评估了其性能，结果表明，BCP优化了太阳能电池的性能并提高了器件的稳定性。作者将小面积器件升级为孔径面积为微型模块，表明钙钛矿微型模块的认证PCE达到 21.8%，平均T90寿命达到~2130小时。作者开发了一种通过将铅螯合分子（LCMs）嵌入HTL中来有效减少钙钛矿膜底部非晶区的方法，通过强螯合作用与铅离子相互作用，这减少了DMSO残基，从而减少了钙钛矿中HTL附近的无定形区域。2、获得了高PCE、重复性好、稳定性强的钙钛矿电池作者利用BCP钝化了钙钛矿，提高了钙钛矿电池和微模块的PCE、再现性和稳定性。孔径面积为26.9cm2的最小模块的PCE为21.8%，稳定性可达3000小时。
技术细节
通过将钝化物种掺入HTL来钝化底部钙钛矿HTL界面。使用LCMs提供两个或更多个孤对电子与钙钛矿表面的Pb2+螯合，导致Pb2+在加入钙钛矿前体溶液后沉淀。XRD揭示BCP与Pb2+的相互作用强于DMSO与Pb2+的相互作用。FTIR和XPS同样也证明了BCP 的两个吡啶基团中的N原子与Pb2+相互作用。与单一的吡啶基团相比，螯合效应提供了与钙钛矿更强大的相互作用。
作者LCM引入到聚[双(4 苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)层中，进行了稳态PL和PL寿命测量以解析混合在PTAA中的LCM如何影响钙钛矿HTL界面。结果表明，BCP显着将稳态PL强度提高了1.7倍，钙钛矿薄膜底部的PL寿命也从195纳秒增加到452纳秒。在 PTAA 中预嵌入BCP减少了钙钛矿底部界面的非辐射复合缺陷。在钙钛矿顶部旋转了一个 BCP 层，以排除钙钛矿结晶度的影响，通过测量光从空气侧入射时的PL光谱和PL寿命变化，证实了 BCP 对钙钛矿的钝化作用。此外，作者还通过FLIM评估了钝化钙钛矿-HTL界面的均匀性，DFT计算进一步比较了BCP和DMSO的钝化效果。
为了找出通过将BCP引入PTAA减少了哪些缺陷，使用热导纳光谱和驱动级电容曲线 (DLCP) 测量了器件的陷阱密度变化。结果表明带负电荷的碘间隙 (Ii– )密度在钙钛矿中没有表现出明显的变化，而带正电荷的碘间隙(Ii+)的密度通过将BCP引入PTAA而降低。进一步研究结果表明PTAA 中的BCP减少了捕获的DMSO的量，导致钙钛矿的无定形程度降低。BCP减少了有缺陷的非晶钙钛矿，从而提高了器件效率和稳定性。
作者制造了ITO/HTL/钙钛矿/C60/BCP/ Cu太阳能电池以评估 LCM 如何影响钙钛矿太阳能电池的性能。结果表明，将 LCM 结合到HTL中或HTL上，在加速光致退化测试期间提高了所有设备的稳定性。BCP和TSA产生了更高的 PCE，并改善了开路电压 (VOC) 和填充因子(FF)。利用BCP进一步优化了PCE，具有最佳 BCP 的设备显示JSC为25.5 mA cm-2，VOC为1.17 V，FF为0.825，PCE为 24.6%。此外，PTAA中预嵌的BCP也大大提高了器件的稳定性。
作者将0.08 cm2的小面积器件升级为孔径面积为20至30 cm2的微型模块，BCP的添加增强了微型模块的FF和VOC。几个微型模块被送到国家可再生能源实验室(NREL)进行 PCE 认证。钙钛矿微型模块的认证冠军孔径PCE达到 21.8%，J-V扫描的孔径面积为26.9 cm2，稳定功率输出测量方法给出了 21.1% 的稳定PCE。稳定性测试表明具有BCP的微型模块的平均T90寿命达到~2130小时。
展望
总之，作者在PTAA HTL中引入LCM提高了p-i-n结构钙钛矿太阳能电池的效率、稳定性和再现性。由于BCP中的菲咯啉基团与Pb2+之间的强相互作用以及BCP•PbI2在2-ME中的低溶解度，BCP在溶液涂覆过程中停留在钙钛矿层的底部。随着钙钛矿层底部陷阱密度的降低和PTAA-钙钛矿界面电荷复合的减少，具有BCP的器件的平均PCE增加到24.1%。在PTAA层中具有BCP时，钙钛矿层中的非晶层和DMSO残留物减少，导致在光均热过程中晶界周围的空隙形成减少。PTAA中的BCP还将T90的寿命从约1890小时增加到约3010小时。孔径面积为26.9 cm2的冠军微型模块显示出21.8%的认证PCE（稳定在21.1%）。CHENGBIN FEI, et al. Lead-chelating hole-transport layers for efficient and stable perovskite minimodules. Science, 2023, 380(6647):823-829.DOI:10.1126/science.ade9463https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9463
