高效倒置钙钛矿太阳能电池中埋藏界面偶极子矩增大与取向调节

埋藏界面的载流子输运和复合阻碍了倒钙钛矿太阳能电池的发展。在这里，作者使用连接器来重建界面偶极子，在小面积和大面积器件上分别实现了26.53%和24.11%的最高效率。

　　

界面偶极调控策略助力高效倒置钙钛矿太阳能电池研究进展

近日，成都理工大学材料与化学化工学院的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Enlarging moment and regulating orientation of buried interfacial dipole for efficient inverted perovskite solar cells” 的论文。该研究通过创新的界面偶极调控策略，为倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能提升与稳定性增强开辟了新路径，在推动光伏技术发展、促进可再生能源利用方面具有重要意义。

一、研究背景

在众多光伏技术中，有机 - 无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借高吸收系数、长载流子扩散长度、低激子结合能以及可大规模溶液制备等优势，展现出巨大的发展潜力。倒置（p - i - n 结构）PSCs 因自组装单分子层（SAMs）的快速发展，在功率转换效率（PCE）和器件稳定性上超越了常规（n - i - p 结构）PSCs。目前，倒置 PSCs 的最高认证 PCE 已超 26% ，这得益于诸如溶剂洗涤策略减少分子聚集、Co - SAM 策略改善单层覆盖和降低漏电流，以及通过调整 SAMs 分子结构扩大界面偶极矩等技术手段。然而，以往研究多聚焦于分子排列和偶极矩，忽视了整体界面偶极的偏转方向。由于 SAMs 的化学吸附模型，界面偶极方向常指向空穴传输层（HTL），而掩埋界面处偶极方向的错位会影响载流子传输和复合，对器件性能和稳定性产生潜在负面影响。此外，掩埋钙钛矿表面的物理性质受界面偶极方向影响，负偶极方向会使掩埋钙钛矿呈现 n 型特征，阻碍载流子传输和加剧界面载流子复合。因此，获取具有更大界面偶极矩且方向最优的偶极，对进一步提高倒置 PSCs 的效率和重复性至关重要，但这仍是一项极具挑战性的任务。

二、研究材料方法和关键技术路线

（一）研究材料

研究使用的化学试剂包括多种卤化物、金属氧化物、有机分子等，如西安尤里太阳能有限公司的氯化铅（ ，99.9%）、碘化甲脒（FAI，99.5%）等，以及 Advanced Election Technology Co., Ltd. 的氧化镍纳米颗粒（ ，99.999%）等。这些材料为制备不同结构和性能的钙钛矿太阳能电池提供了基础。

（二）研究方法

1. 器件制备：对玻璃 / FTO 基板依次进行清洗、UV 臭氧处理等预处理。在处理后的基板上依次旋涂、Me - 4PACz 等材料，并通过不同的旋涂和退火工艺制备窄带隙和宽带隙钙钛矿层，最后采用真空热蒸发法沉积、BCP 和 Ag 等材料完成器件制作。
2. 表征技术：运用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等多种表征手段，对钙钛矿薄膜的表面形貌、结晶度、载流子传输和复合动力学等进行全面分析。例如，通过 SEM 观察薄膜的微观结构，利用 AFM 测量表面粗糙度等。
3. 模拟方法：采用基于密度泛函理论（DFT）的 Vienna Ab Initio Simulation Package（VASP）进行计算。利用 PAW 方法和 GGA - PBE 泛函，对分子结构、偶极矩和取向等进行模拟研究，为实验结果提供理论支持。

（三）关键技术路线

研究人员提出了一种界面偶极化学桥策略，选用 2 -（二苯基膦基）乙酸（2DPAA）作为连接剂来重构界面偶极。2DPAA 通过磷酸化作用牢固地锚定在 SAM 表面，并通过配位效应与钙钛矿化学连接，从而有效扩大界面偶极矩至 5.10 D，并将偶极方向调整为正向，以此来加速垂直空穴传输、抑制非辐射复合并促进钙钛矿结晶。

三、研究结果

（一）界面偶极重构的影响

1. 理论计算与模型分析：通过 DFT 计算 2DPAA 和 EDPP 分子的静电势（ESP），发现 2DPAA 的羧基（ - COOH）和 P 原子等富电子单元显示出负 ESP，且其与 Me - 4PACz 复合后的偶极矩达 5.10 D，远高于 Me - 4PACz 的 1.61 D。同时，从分子模型和双分子模型计算可知，2DPAA 处理后，界面偶极方向变为正向，指向钙钛矿薄膜，有利于提高功函数和加速空穴传输。
2. 实验表征验证：利用 XRR 测量、KPFM 测试、UPS 和 UV - vis 吸收光谱等实验手段，进一步证实了 2DPAA 处理后界面偶极方向的转变以及对表面性质的影响。例如，KPFM 图像显示，2DPAA 处理后的样品表面电位更低，功函数更大，表面电位分布更均匀，这与理论计算结果相符，表明 2DPAA 有效重构了界面偶极。
3. 相互作用机制研究：通过 FT - IR 光谱、H NMR 光谱、XPS 和 HRMS 等分析，证明了 2DPAA 与 Me - 4PACz 及钙钛矿之间存在多种相互作用。如 FT - IR 光谱中特征峰的位移表明 2DPAA 与 Me - 4PACz 发生了磷酸化反应，且与钙钛矿表面的相互作用，这些相互作用有助于界面偶极的重构和器件性能的提升。

（二）钙钛矿薄膜的形貌和结晶度

1. 结晶动力学研究：采用原位 UV - vis 吸收光谱研究钙钛矿薄膜的结晶动力学，发现 2DPAA 处理后的样品在饱和沉淀结晶过程中成核速率显著降低，有利于形成更大的晶粒尺寸和更低的多余含量。
2. 形貌和结构表征：SEM 和 AFM 图像显示，2DPAA 处理后的钙钛矿薄膜无论是掩埋界面还是顶部薄膜，均呈现出更大的晶粒尺寸和更小的粗糙度。GIWAXS 和 GIXRD 测试结果表明，2DPAA 处理提高了钙钛矿的结晶度，调节了晶体取向，使其沿（110）晶面生长，并有效释放了表面残余应力，促进了高质量钙钛矿薄膜的形成。

（三）光伏性能

1. 器件性能测试：以带隙为 1.55 eV 的钙钛矿制备倒置 PSCs，测试不同 2DPAA 浓度下器件的光伏性能。结果表明，0.5 mg/mL 2DPAA 处理的器件冠军 PCE 显著提高至 26.53%（认证为 26.02%），开路电压（）达到 1.197 V，短路电流（）为 25.94 mA/ ，填充因子（FF）为 85.43%，且滞后效应指数（HEI）仅为 4.2%，远低于对照器件。
2. 外量子效率和稳定功率输出：EQE 光谱显示，2DPAA 处理的器件积分值与 J - V 曲线提取的值匹配良好，且该器件在 1.06 V 时的稳定功率输出效率（SPO）为 26.22%，优于对照器件。
3. 不同类型器件的性能：将该策略扩展到宽带隙（1.68 eV）和大面积（）器件，分别获得了 22.02% 和 24.11% 的高 PCE。不同 SAMs 体系下，2DPAA 处理的器件也表现出显著的性能提升，表明 2DPAA 是一种高效通用的功能分子，可实现界面偶极重构，获得高效率、低损失的倒置 PSCs。
4. 性能提升机制分析：通过 M - S 曲线、TPC 测量、PL 和 TRPL 光谱等多种手段分析，发现 2DPAA 处理增强了电荷分离和传输的驱动力，加速了空穴传输，抑制了非辐射复合，降低了陷阱态密度，从而提高了器件的光伏性能。

（四）钙钛矿薄膜和器件的稳定性

1. 稳定性测试：评估了 PSCs 在不同条件下的稳定性，包括环境稳定性、热稳定性和操作稳定性。结果显示，2DPAA 处理的钙钛矿薄膜表面水接触角增加，在湿度 60% - 80%、温度 25°C 环境下放置 7 天仍保持黑色相，而对照薄膜已完全降解。
2. 稳定性提升原因：2DPAA 处理的器件离子迁移活化能为 1.51 eV，高于对照器件的 1.03 eV，抑制了离子迁移。未封装的 2DPAA 处理器件在手套箱中储存 1200 h 后，保留了 95.4% 的初始效率；在 85°C 热老化 1200 h 后，保留了 81.2% 的初始效率；在连续最大功率点跟踪（MPP）1200 h 后，保留了 94.3% 的初始效率，均优于对照器件。器件稳定性的提高归因于高质量的钙钛矿薄膜、较少的界面缺陷和释放的残余应力。

四、研究结论与讨论

本研究成功提出一种界面偶极重构策略，通过插入 2DPAA 作为界面偶极化学桥，将界面偶极矩扩大至 5.10 D，同时调节偶极方向为正向。理论和实验结果共同证实，这种重构优化了能带排列，诱导形成高质量钙钛矿薄膜，加速了垂直空穴传输，抑制了掩埋界面的非辐射复合。基于此，2DPAA 处理的窄带隙（1.55 eV）钙钛矿器件获得了 26.53%（认证 26.02%）的冠军 PCE，宽带隙（1.68 eV）和大面积（）倒置 PSCs 的 PCE 分别达到 22.02% 和 24.11%。此外，优化后的 PSCs 在长期储存、连续热老化和 MPP 跟踪后仍表现出优异的稳定性，展现出巨大的应用潜力。该研究成果突出了掩埋界面偶极重构策略在实现高效稳定倒置 PSCs 方面的有效性，为钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供了重要的理论和实践依据，有望推动光伏技术在可再生能源领域的广泛应用。