特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。尽管金属卤化物钙钛矿被认为是“缺陷容忍”的，但它们仍然需要精细的结晶和生长。金属卤化物钙钛矿太阳能电池的效率和寿命通常由非辐射缺陷介导的电荷复合决定。大的有机分子可以使多晶钙钛矿薄膜的内部发光效率接近统一并产生稳定的钝化，通常会抑制钙钛矿薄膜中的载流子传输，但尚未在高性能太阳能电池中得到证实。尽管钝化钙钛矿薄膜表现出优异的光致发光量子产率（PLQY）特性，但其中一些基于胺的分子钝化策略尚未被证明可以有效实现高效率或接近辐射极限的光伏（PV）参数，缺乏适用于更广泛的钙钛矿成分的通用策略。 有鉴于此，牛津大学Henry J. Snaith、Yen-Hung Lin等人展示了一种基于蒸汽的氨基硅烷钝化剂，可将带隙在1.6至1.8eV之间的钙钛矿太阳能电池中的光电压缺陷降低至100 mV左右（>热力学极限的90%），这对于串联应用至关重要。单独的伯氨基硅烷、仲氨基硅烷或叔氨基硅烷对钙钛矿结晶度和电荷传输产生负面影响或几乎没有影响，但结合伯胺和仲胺的氨基硅烷可使光致发光量子产率增加高达60倍，并保持长程传导。经过氨基硅烷处理的器件在85°C 的全光谱阳光和相对湿度为50%至60%的环境空气开路条件下可以保持95%的功率转换效率超过1500小时。研究表明APTMS 分子强烈影响整个钙钛矿薄膜的结晶度，引入短程散射缺陷或破坏结晶域，以至于电荷载流子经历短程散射且载流子迁移率受到严重限制。作者通过GIWAXS探究了钝化分子的形成，并结合理论计算表明表面存在O-Pb和N-Pb化学键，这种多齿相互作用增加了表面有效钝化。作者制造并测量了一系列太阳能电池，筛选出氨基硅烷分子AEAPTMS对 Cs13Br10基钙钛矿的光伏性能参数带来了最大的改善，表明具有优异的电池性能和长期稳定性及环境压力抵抗力。1、设计了一种适用于带隙范围为1.6~1.8 eV的钙钛矿的通用钝化策略作者使用了一系列偶联剂分子和各种类型的胺(一级、二级、三级或其组合)来探索潜在的光电和材料机制，并设计了一种基于蒸汽的氨基硅烷钝化剂的适用于带隙范围为1.6~ 1.8 eV的钙钛矿的通用钝化策略。利用已确定的高效氨基硅烷分子，展示了中等和大面积钙钛矿太阳能电池，所有用性能最佳的氨基硅烷分子化合物钝化的钙钛矿太阳能电池都实现了低至 100至 120 mV的光电压缺陷，超过了热力学极限光电压的 90%。3、开发的钝化策略显著增强了钙钛矿太阳能电池的稳定性本工作开发的钝化策略显着增强了钙钛矿太阳能电池的耐用性，使其在全光谱模拟阳光下保持95%的效率超过1500小时。作者研究了基于伯胺的( 3 -氨丙基)三甲氧基硅烷( APTMS)分子使用气相处理对阳离子混合铅，混合阴离子钙钛矿薄膜及其相应的正-本征-负( p-i-n )钙钛矿太阳能电池的影响。测量结果表明，APTMS处理前后钙钛矿薄膜的PLQY大幅增加，但经过APTMS处理的电池的PV性能差，且J-V特性表现出明显的滞后。接着，作者更深入地研究了使用氨基硅烷分子钝化的影响，表明AEAPTMS 钝化特别抑制了钙钛矿/ETL界面处的非辐射复合，太赫兹迁移率测量、XRD图谱和紫外-可见吸收光谱表明，APTMS 分子强烈影响整个钙钛矿薄膜的结晶度，引入短程散射缺陷或破坏结晶域，以至于电荷载流子经历短程散射并且载流子迁移率受到严重限制。 接着，作者通过GIWAXS研究了处理前后的Cs13Br10钙钛矿薄膜的取向和结晶度，探讨了APTMS、MAPTMS和AEAPTMS如何影响金属卤化物钙钛矿。结果表明， AEAPTMS 处理前后，大块钙钛矿的各向同性取向得以保持。基于理论计算和实验表征，除了N-Pb 相互作用之外，作者还观察到平均键长为 2.80 Å 的 O-Pb 键合。所有物质周围电荷密度分布的变化显示表面 Pb 阳离子周围的硅烷表面电荷转移，再次表明O-Pb和N-Pb化学键。这种多齿相互作用增加了表面的结合或锚定强度并增强了有效的钝化。 作者制造并测量了一系列太阳能电池，筛选出氨基硅烷分子AEAPTMS对 Cs13Br10基钙钛矿的光伏性能参数带来了最大的改善，也表现出增强的 PV 性能。此外，为了证明钝化处理的兼容性，作者用蒸发的C60和BCP ETL堆栈制造 Cs17Br23，证实了该方法适用于串联电池。AEAPTMS 分子普遍可以将VOC 提高到热力学极限的90% 以上，且在采用中面积0.25 cm2和大面积1 cm2的光伏电池尺寸时表现出出色的性能。作者还研究了AEAPTMS如何影响太阳能电池的长期运行稳定性，结果表明经过AEAPTMS处理的电池在老化过程中表现出显着的运行稳定性。作者还进一步检查了对环境压力源的恢复能力，经过 AEAPTMS 处理的钙钛矿薄膜表现出显着的抵抗力。 总之，本工作研究结果表明，具有不同伯胺、仲胺和叔胺官能团的氨基硅烷分子显着影响金属卤化物钙钛矿的PLQY、晶序和载流子迁移率。AEAPTMS作为一种特殊的表面钝化剂，与钙钛矿表面建立了强大的键合亲和力，显着提高了带隙范围为1.6至1.8 eV的钙钛矿的PLQY，使其辐射性能更接近理论热力学极限。此外，经过AEAPTMS处理的钙钛矿太阳能电池在强烈的高温、光老化条件下表现出最先进的长期稳定性。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
