郑州大学李鹏伟&中科院化学所宋延林《AM》|协同钝化实现22.76%效率的准二维钙钛矿太阳能电池

文献分析工具：科应智能助手（www.scienceing.com）

准二维（准2D）钙钛矿太阳能电池（钙钛矿太阳能电池）因其疏水性间隔层而具有固有的环境稳定性增强特性，但相关的非配位位点和离子空位作为严重的非辐射复合中心，限制了进一步的效率提升。本文中，我们引入乙酸酐（Ac2O）作为准2D交替阳离子层间（ACI）钙钛矿的多功能添加剂。光谱分析和密度泛函理论计算表明，Ac2O中的羰基同时与欠配位Pb2+离子结合，并与胍阳离子（GA+）形成氢键。这种协同作用减缓了结晶过程，从而获得结晶度提高、晶粒尺寸增大且缺陷态密度显著降低的薄膜。与此同时，Ac2O诱导的钝化作用使费米能级上移，增强了内建电场，从而促进更快的电荷分离和提取。因此，优化后的准2D钙钛矿太阳能电池实现了22.76%的冠军功率转换效率（认证值为21.69%），在已报道的准2D钙钛矿太阳能电池中创下纪录。封装器件在连续2000小时最大功率点操作后仍保持96%的初始效率，这凸显了这种简单添加剂策略在同时提升准2D钙钛矿光伏器件效率和操作稳定性方面的有效性。

图1 Ac2O分子及其与钙钛矿组分相互作用的示意图。(a) Ac2O分子的计算ESP图，显示电子密度主要定位于氧原子上。(b) Ac2O与钙钛矿结合的示意图，说明Ac2O与GAI、MAI和Pb2+相互作用。(c) Ac2O与MAI/GAI之间的理论结合能及相应的氢键相互作用图。(d) GAI、MAI及其与Ac2O混合物的1H NMR谱。Ac2O的加入对GAI中-N−H的去屏蔽效应比对MAI更强。(e) GAI、碘化铅、MAI及其与Ac2O混合物的 FTIR 谱。(f) N 1s XPS 谱。GAI在401.31 eV处的特征N峰在引入Ac2O后向较低结合能方向移动，而MAI在400.48 eV处的特征N峰未显示显著移动。(g) Pb 4f XPS 谱（Pb 4f7/2和Pb 4f5/2峰）。Ac2O的引入使Pb 4f峰向较低结合能方向移动。(h) I 3d XPS 谱（I 3d7/2和I 3d5/2峰）。Ac2O的引入使I 3d峰向较高结合能方向移动。

图2 控制组与Ac2O优化样品的薄膜表征。(a，b) 热退火过程中(a)对照组与(b)Ac2O优化薄膜的原位紫外-可见吸收光谱。(c)对照组与Ac2O优化薄膜的 XRD 图。Ac2O优化薄膜在(110)和(220)晶面显示出增强的衍射峰强度。(d，e) (d)对照组与(e)Ac2O优化薄膜的顶视扫描电镜图像。(f)对照组与Ac2O优化薄膜的稳态紫外-可见吸收光谱。插图展示了类三维相吸收区域的放大视图。约570、620和650 nm处的吸收峰分别归属于n=1、2和3的二维钙钛矿相。(g，h) (g)对照组与(h)Ac2O优化薄膜的热分析光谱(激发波长410 nm)。Ac2O优化薄膜在类三维相(约780 nm)处显示出更强的热分析信号强度及更长的载流子传输寿命。(i) 对照组与Ac2O优化薄膜的 TRPL 衰减曲线。Ac2O优化薄膜的载流子寿命延长至137.6 ns，而对照组薄膜仅为47.3 ns。

图3 载流子传输特性。(a–c) (a) 控制组与Ac2O优化薄膜的霍尔系数，(b) 电阻率，(c) 载流子浓度。(d) 通过 KPFM 测量的控制组与Ac2O优化薄膜表面电位分布图。Ac2O优化薄膜显示出更均匀且更负的表面电位，虚线标示电位分布测量位置。(e) 从(d)中提取的表面电位分布曲线。平均表面电位从控制组薄膜的-170 mV降至Ac2O优化薄膜的-400 mV。(f) 控制组与Ac2O优化薄膜的能级图。WF和EV通过UPS测定。光学带隙(Eg)通过UV–vis吸收光谱计算得出，公式为Eg (eV) = 1240 / λ (nm，吸收起始波长)，EC = EV + Eg。(g) 阳离子空位的缺陷形成能计算结果(VGA和 VMA )。控制组薄膜中VGA和 VMA 的形成能分别为8.05 eV和5.21 eV。引入Ac2O后， VMA 的形成能增至6.08 eV。(h) Ac2O诱导EF位移的示意图。Ac2O的引入使受主态钝化，导致EF向导带最小值方向上移。

图4 设备架构、性能与表征。(a)准二维ACI PSC器件结构示意图。(b)对照器件与Ac2O优化器件的J-V曲线，相关光伏参数汇总于附表。(c)基于RP、DJ和ACI相的准二维钙钛矿太阳能电池近年最高报道PCE统计（n≤5）。(d)对照器件与Ac2O优化器件的 EQE 光谱及对应积分电流密度。(e)对照器件与Ac2O优化器件在最大功率点测得的稳定功率输出。(f)对照器件与Ac2O优化器件的VOC光强依赖性。(g)封装器件在85℃、40∼45%相对湿度下储存1000小时的归一化PCE跟踪。(h)手套箱中连续单日光照2000小时的封装器件在最大功率点跟踪下的归一化PCE跟踪。