研究背景與挑戰(zhàn)

鈣鈦礦/C60 接口的嚴(yán)重電荷復(fù)合現(xiàn)象是制約鈣鈦礦太陽能電池性能提升的關(guān)鍵瓶頸。此問題主要源于兩個機(jī)制：

1.       C60 與鈣鈦礦導(dǎo)帶底 (CBM) 間的能量偏移直接限制了器件的開路電壓 (Voc)

2.       C60 誘發(fā)的高陷阱態(tài)密度 (Nt) 導(dǎo)致 Voc 呈對數(shù)式衰減。

目前常用的接口鈍化材料如 LiF 或 PEAI 雖可緩解此問題，但存在明顯局限性：制備重現(xiàn)性不佳、試錯成本偏高，且在高填充密度條件下難以實現(xiàn)均勻表面覆蓋。

研究團(tuán)隊

本研究由香港中文大學(xué) Martin Stolterfoht 教授與華東理工大學(xué)吳永真（Yongzhen Wu）教授共同主導(dǎo)。研究團(tuán)隊與德國多所院校合作，包括波茨坦大學(xué)、柏林洪堡大學(xué)，以及弗賴堡大學(xué)等機(jī)構(gòu)。

該成果已發(fā)表于 ACS Energy Letters 期刊。研究團(tuán)隊成功開發(fā)出新型揮發(fā)性介電層材料 BA-8FH，有效解決了鈣鈦礦/C60 接口的電荷復(fù)合難題，顯著提升了器件效率和操作穩(wěn)定性。

重點研究成果與發(fā)現(xiàn)

Fig2ab: 直接呈現(xiàn)了光致發(fā)光量子效率 (PLQY) 的測量結(jié)果，這是一個衡量非輻射復(fù)合損失的關(guān)鍵指標(biāo)

1.       創(chuàng)新材料設(shè)計：研究成功開發(fā)新型揮發(fā)性介電層材料 BA-8FH (1,6-bis(acryloyloxy)-2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorohexane)，用于鈣鈦礦/C60 界面優(yōu)化。BA-8FH 具有低沸點特性 (約90°C)，在鈣鈦礦退火過程 (100°C) 中大部分材料揮發(fā)，最終形成約8 ? 的功能性單層。其含氟官能基團(tuán)有效降低接口復(fù)合，同時揮發(fā)性特性提供極寬的制備窗口 (1-200 mg/mL)，實現(xiàn)高重現(xiàn)性。

2.       非輻射復(fù)合抑制效果：光致發(fā)光量子效率 (PLQY) 測量顯示，控制組鈣鈦礦/C60 樣品的PLQY 從5.2%劇降至0.19%，而BA-8FH 處理樣品維持在5.3%，證實C60 誘導(dǎo)的非輻射復(fù)合已被有效消除。準(zhǔn)費米能級劈裂 (QFLS) 分析進(jìn)一步確認(rèn)此結(jié)果：控制組損失86 mV，BA-8FH 樣品幾乎無損失，理想因子由1.61 改善至1.45。

3.       器件性能：BA-8FH 處理的器件實現(xiàn)24.68%的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，開路電壓1.206 V，短路電流密度24.69 mA/cm2，填充因子83.14%。第三方認(rèn)證效率達(dá)24.07%，開路電壓1.22 V。對于1.58 eV 帶隙的鈣鈦礦，非輻射電壓損失僅87 mV，開路電壓達(dá)熱力學(xué)極限的94%。

4.       載流子動力學(xué)優(yōu)化：瞬態(tài)表面光電壓 (tr-SPV) 測量顯示，BA-8FH 處理的HTL/鈣鈦礦樣品展現(xiàn)更快的信號響應(yīng)和更大的SPV 振幅，表明非輻射復(fù)合損失顯著減少。然而，在完整器件結(jié)構(gòu)中，BA-8FH 實際上會減緩電子向C60 的傳輸速率。研究證實，抑制接口復(fù)合所帶來的載流子壽命延長效應(yīng)遠(yuǎn)比加速電子傳輸更為關(guān)鍵。二維光電模擬驗證了實驗結(jié)果，強(qiáng)調(diào)介電層完整覆蓋的重要性——「針孔」缺陷會顯著影響器件的填充因子和開路電壓。

5.       長期穩(wěn)定性提升：在AM 1.5 連續(xù)光照、40%相對濕度、40°C 條件下進(jìn)行最大功率點追蹤測試，BA-8FH 器件在1200小時后仍保持90%初始性能，明顯優(yōu)于控制組的80%。不同BA-8FH 濃度的器件展現(xiàn)相似的穩(wěn)定性，驗證了材料設(shè)計的可靠性。

6.       表面表征驗證 SEM：分析確認(rèn)BA-8FH 不改變鈣鈦礦表面形貌，XPS 光譜證實BA-8FH 在鈣鈦礦表面形成均勻單層，F 1s、C 1s 和Pb 4f 高分辨譜進(jìn)一步驗證了接口修飾的有效性。

實驗步驟與過程

Figure1b

鈣鈦礦溶液制備:配制三陽離子鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，成分為Cs?.??(MA?.??FA?.??)?.??Pb(I?.??Br?.??)?。

薄膜制備與界面修飾:采用旋涂工藝制備鈣鈦礦薄膜并進(jìn)行熱退火。隨后將不同濃度(1-200 mg/mL)的BA-8FH溶液旋涂于鈣鈦礦表面，在100°C下短時退火使大部分BA-8FH揮發(fā)，形成約8 ?厚的功能性單層。

電極制備：在真空環(huán)境下依序蒸鍍C60電子傳輸層(30 nm)、BCP緩沖層(8 nm)和銅電極(100 nm)，完成器件組裝。

性能表征：測量電流-電壓(J-V)特性曲線，提取功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)、開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)和填充因子(FF)等關(guān)鍵參數(shù)。

界面復(fù)合分析：透過光致發(fā)光量子效率(PLQY)測量和準(zhǔn)費米能級劈裂(QFLS)計算，量化BA-8FH對界面非輻射復(fù)合的抑制效果。

載流子動力學(xué)研究：利用瞬態(tài)表面光電壓(tr-SPV)測量探討載流子在鈣鈦礦/C60接口的提取和復(fù)合動力學(xué)，結(jié)合瞬態(tài)吸收光譜(TAS)進(jìn)一步分析載流子動態(tài)過程。

理論模擬驗證：建立二維光電模擬模型，分析BA-8FH層覆蓋均勻性和能量對準(zhǔn)對器件Voc和FF的影響，解釋實驗現(xiàn)象。

穩(wěn)定性測試：對封裝器件進(jìn)行持續(xù)光照下的最大功率點追蹤測試，評估其在特定濕度和溫度條件下的長期運行穩(wěn)定性。

表征手法與過程

PLQY 與 QFLS 分析

使用520 nm CW雷射作為激發(fā)源，通過積分球系統(tǒng)測量絕對光致發(fā)光。雷射強(qiáng)度調(diào)整至1 sun等效強(qiáng)度，使短路電流密度與太陽模擬器下的Jsc匹配。準(zhǔn)費米能級分裂（QFLS）根據(jù)公式QFLS = (Vth) ln (PLQY × JG / J0,rad)計算，其中J0,rad為6.9 × 10?2? A/m2。

BA-8FH對純鈣鈦礦薄膜的鈍化效果微乎其微，石英/鈣鈦礦樣品的PLQY在處理前后相似（13.6% vs 15.7%）。HTL/鈣鈦礦樣品亦展現(xiàn)類似趨勢，QFLS差異僅7 meV。然而，引入C60后差異顯著放大。對照組「p-i-n」樣品（HTL/鈣鈦礦/C60）的PLQY從5.2%劇降至0.19%，造成86 mV的QFLS損失，證實鈣鈦礦/C60接口存在嚴(yán)重非輻射復(fù)合。

BA-8FH處理的「p-i-n」樣品PLQY維持在5.3%，與對照組HTL樣品（5.2%）基本相同，有力證明BA-8FH成功消除了C60引起的非輻射復(fù)合。

圖2a： 展示不同樣品結(jié)構(gòu)的PLQY和QFLS比較，突顯BA-8FH對C60誘導(dǎo)損失的抑制效果。

圖2b： 可視化不同樣品中電壓損失的貢獻(xiàn)分析，顯示BA-8FH如何減少接口復(fù)合損失。

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電流-電壓（J-V）曲線

在標(biāo)準(zhǔn)AM 1.5G照明條件下，使用太陽光模擬器提供100 mW cm?2光照，于25°C下以20 mV/s掃描速率測量，活性面積9 mm2，進(jìn)行正向和反向掃描評估遲滯效應(yīng)。

BA-8FH處理的器件在逆向掃描下實現(xiàn)24.7%的PCE，開路電壓1.21 V，短路電流密度24.7 mA/cm2，填充因子83.1%。對照組器件PCE為22.0%（Voc 1.126 V，Jsc 24.6 mA/cm2，FF 80.1%）。第三方認(rèn)證效率達(dá)24.07%（Voc 1.22 V，Jsc 23.4 mA/cm2，FF 84.4%）。掃描速率依賴性測量顯示BA-8FH樣品的離子損失更少，證實了更佳的接口質(zhì)量。

圖1b： 展示BA-8FH處理器件在不同濃度下的性能統(tǒng)計，顯示在30-200 mg/mL范圍內(nèi)實現(xiàn)「飽和鈍化」效果。

圖5d： 對比控制組和BA-8FH處理器件的J-V曲線，顯示Voc提升約80 mV，FF提升約3.5%。圖5e： BA-8FH器件的第三方認(rèn)證J-V曲線。

EQE 測量

測量外部量子效率，確定器件在不同波長光照下將入射光子轉(zhuǎn)換為電子電流的效率。

BA-8FH處理器件的積分電流密度為23.7 mA/cm2，對照組為23.5 mA/cm2，這些數(shù)值與J-V曲線測得的Jsc在5%誤差范圍內(nèi)匹配，驗證了測量的一致性。從EQE數(shù)據(jù)計算出鈣鈦礦的輻射飽和電流密度J0,rad為6.9 × 10?2? A/m2，并確認(rèn)帶隙為1.58 eV。

圖S19： 展示控制組和BA-8FH處理器件的EQE曲線及對應(yīng)的積分電流密度比較。

圖S3： 顯示從EQE數(shù)據(jù)計算的J0,rad和帶隙信息，內(nèi)嵌圖展示d(EQE)/dE與光子能量的關(guān)系，證實1.58 eV帶隙。

EL 影像測量

施加等效AM1.5光生電流，使用CCD相機(jī)記錄電致發(fā)光影像。

BA-8FH處理器件的發(fā)光強(qiáng)度為對照組的30倍（19 vs 0.6單位/像素），與Voc提升80 mV一致，證實非輻射復(fù)合有效抑制。

圖2e： 展示有/無BA-8FH處理完整器件的電致發(fā)光映像圖，直觀顯示發(fā)光強(qiáng)度的巨大差異。

UPS 與 XPS 測量

XPS在超高真空下測量，UPS使用21.22 eV氦燈分析能帶排列。

XPS確認(rèn)BA-8FH成功沉積：F 1s峰（688.3 eV）和C信號證實存在，Pb 4f/I 3d信號位移0.44 eV表明強(qiáng)烈相互作用，層厚約8 ?。UPS顯示能級優(yōu)化：鈣鈦礦/C60能級差從210 meV降至130 meV，改善80 meV。

圖3a： 展示F 1s、C 1s和Pb 4f的高分辨率XPS光譜，證實BA-8FH存在和相互作用。

圖3b： 顯示鈣鈦礦/C60接口的能級圖，展示BA-8FH如何改善能級對準(zhǔn)。

瞬態(tài)光電壓與瞬態(tài)光致發(fā)光測量 (tr-SPV/TPV and TRPL)

tr-SPV使用515 nm脈沖雷射追蹤載流子動力學(xué)，TRPL測量復(fù)合壽命。

BA-8FH雖減緩電子至C60轉(zhuǎn)移，但顯著延長載流子壽命。純鈣鈦礦SRH壽命2100 ns，加C60后降至95 ns，BA-8FH處理后維持1100 ns。復(fù)合抑制比加速轉(zhuǎn)移更關(guān)鍵。

圖4a-4d： 展示不同樣品結(jié)構(gòu)的tr-SPV和TRPL結(jié)果比較，說明BA-8FH對載流子動力學(xué)的影響。

瞬態(tài)吸收光譜測量 (TAS)

使用50 fs、530 nm泵浦脈沖，寬帶白光探測載流子動態(tài)。

BA-8FH有效抑制信號淬滅：對照組漂白信號7 ns內(nèi)從0.62衰減至0.35，BA-8FH樣品信號恒定，證實接口復(fù)合抑制。

圖S14-S15： 展示不同樣品在730 nm處的歸一化動力學(xué)和TAS曲線，證實BA-8FH對界面復(fù)合的抑制效果。

其他表征

SEM (Scanning Electron Microscope)

觀察材料微觀形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)。BA-8FH層極薄（<5 nm），兩組樣品晶粒尺寸和形態(tài)相似，表明BA-8FH不影響鈣鈦礦結(jié)晶。（圖1a、圖S2、圖S5）

RPV (Resistance-dependent Photovoltage)

揭示載流子到達(dá)器件電極的時間。BA-8FH樣品顯示較慢的載流子提取時間，與tr-SPV結(jié)果一致。（圖S13）

2D 模擬 (2D Simulations)

使用Sentaurus TCAD建立光電模擬模型，研究針孔對器件性能影響。即使存在針孔，當(dāng)間距達(dá)20 nm時Voc不受損害，支持BA-8FH高覆蓋率的重要性。（圖3c、圖3d、圖S10-S11）

操作穩(wěn)定性 (MPP Tracking)

在40%濕度、40°C環(huán)境下進(jìn)行最大功率點追蹤測試。BA-8FH器件1200小時后保持90%初始性能，對照組僅80%，證實減少非輻射復(fù)合提升運行穩(wěn)定性。（圖5g、圖S20、圖S26）

結(jié)論

研究成功開發(fā)出揮發(fā)性高密度分子中間層BA-8FH，有效解決了鈣鈦礦/C60接口長期存在的非輻射復(fù)合挑戰(zhàn)，顯著提升了倒置型鈣鈦礦太陽能電池的性能和操作穩(wěn)定性。

關(guān)鍵成果

1. 非輻射復(fù)合有效抑制：BA-8FH形成極薄致密中間層（約0.8 nm單分子層），有效消除C60引起的非輻射界面復(fù)合損失。通過形成正偶極層優(yōu)化能階對齊，將鈣鈦礦/C60能量錯位從210 meV降至130 meV，改善80 meV能量差異。其揮發(fā)性特性確保**>99%表面覆蓋率**，防止載流子通過針孔區(qū)域流失。

2. 光電轉(zhuǎn)換效率顯著提升：BA-8FH處理器件實現(xiàn)24.7% PCE（認(rèn)證24.1%），開路電壓1.21 V，填充因子83.1%。相較對照組，PCE提升3.5%，Voc提升80 mV，FF提升3.5%。非輻射電壓損失僅87 meV，達(dá)到1.58 eV帶隙鈣鈦礦熱力學(xué)極限的94%。

3. 操作穩(wěn)定性大幅改善：在40%濕度、40°C環(huán)境下，BA-8FH器件經(jīng)1200小時最大功率點追蹤后保持90%初始性能，對照組僅80%，證實非輻射復(fù)合抑制與穩(wěn)定性提升的直接關(guān)聯(lián)。

4. 廣泛適用性：BA-8FH適用于多種鈣鈦礦組成和能隙（1.54-1.77 eV），均觀察到Voc和FF提升，展現(xiàn)作為通用接口層的巨大潛力。

文獻(xiàn)參考自ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00615

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