研究成果與看點：

研究團隊提出了一種創(chuàng)新的雙配體鈍化(Dual-Ligand Passivation, DLP)方法，成功解決了傳統(tǒng) 2D/3D 鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2D鈣鈦礦量子阱寬度分布不均勻 的問題。此研究的主要成就包含：

●實現(xiàn)純相2D鈍化層：利用 MeCZEAI 和 mFPEAI 兩種配體共沉積，精準控制2D鈣鈦礦的成核與生長，形成均勻的n=12D相鈍化層，解決了傳統(tǒng)單配體鈍化造成的2D相分布不均的問題。

●提升器件效能：采用DLP策略的組件，0.05 cm2 面積的組件效率達到 25.86%，1 cm2 面積的組件效率達到 25.08%，同時展現(xiàn)優(yōu)異的操作穩(wěn)定性 (T90 > 1000 小時)和熱穩(wěn)定性。

●深入理解鈍化機制：通過瞬態(tài)吸收光譜 (TA)、X 射線光電子能譜 (XPS) 和 Kelvin 探針顯微鏡 (KPFM) 等多種表征技術，深入分析了DLP策略如何調(diào)控 表面反應動力學、均勻化能量分布，并提升電荷傳輸效率的機制。

●更佳的表面電位分布：DLP處理的鈣鈦礦表面表現(xiàn)出更均勻的電位分布， 電位分布的半高寬 (FWHM) 僅為 68 mV，比單配體處理的 177 mV 顯著降低。此外，DLP處理后的表面電位相較于單配體處理提升了 80 mV。

研究團隊：

本研究由新加坡國立大學 (National University of Singapore, NUS) 和天津大學 (Tianjin University) 的研究人員共同完成，通訊作者為新加坡國立大學侯毅 (Yi Hou)和天津大學胡文平(Wenping Hu)。

研究背景：

在鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)領域，表面鈍化是一種關鍵策略，用以提升效率和穩(wěn)定性。其中，在鈣鈦礦表面堆棧2D材料，利用其量子局限效應，能有效鈍化缺陷并調(diào)整能階排列，是廣泛應用的方法。然而，傳統(tǒng)上使用單一有機配體形成的2D鈣鈦礦鈍化層，常會出現(xiàn)以下問題：

●量子阱寬度分布不均：不同配體分子尺寸和表面反應動力學差異，會導致2D鈣鈦礦形成不同寬度的量子阱，造成能量分布不均，影響器件的光電特性。

●多種2D相的形成：表面反應難以控制，容易生成多種不同n值的2D鈣鈦礦，造成額外的缺陷和能量損失。

●不利的能階排列：2D鈍化層可能導致能階錯位，阻礙電荷傳輸，降低器件效率。

許多研究已經(jīng)探討如何調(diào)控2D鈣鈦礦的量子阱分布，例如調(diào)整配體類型或添加各種添加劑。然而，對于n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池而言，如何精確控制2D 鈍化層的量子阱分布和n值，仍是一個挑戰(zhàn)。

解決方案：

本研究針對傳統(tǒng)2D鈍化層的缺點，提出了雙配體鈍化(DLP)策略。核心概念是引入兩種不同尺寸和吸附能力的有機配體，藉由調(diào)控它們在鈣鈦礦表面的反應動力學，實現(xiàn)純相 n=1 的2D鈍化層。具體而言：

●雙配體選擇：

○MeCZEAI (3,6-二甲基咔唑-9-乙基銨碘化物)：具有較大的分子尺寸和較低的吸附能，優(yōu)先吸附在鈣鈦礦表面，可作為反應調(diào)節(jié)劑。

○mFPEAI (間氟苯乙基銨碘化物)：較小的分子尺寸，可形成2D鈣鈦礦。

●反應機制：MeCZEAI優(yōu)先吸附在鈣鈦礦表面后，會調(diào)控mFPEAI 與鈣鈦礦的反應，使得 mFPEAI 只能形成 n=1 的2D鈣鈦礦，避免產(chǎn)生多種2D相。

●均勻的能量分布：透過上述機制，DLP 策略成功實現(xiàn)了具有 均勻量子阱寬度分布 的2D鈍化層，進而改善了器件的能量分布。

實驗過程與步驟：

以下是本研究的實驗流程，包含材料制備、薄膜沉積、鈍化處理等關鍵步驟：

●材料準備：

使用 碘化鉛 (PbI2)、碘化銫 (CsI)、碘化甲脒 (FAI) 和 氯化甲胺 (MACl) 等前驅(qū)物制備鈣鈦礦；MeCZEAI 的合成：以 3,6-二甲基-9H-咔唑、氫氧化鈉、2-氯乙胺鹽酸鹽和四丁基硫酸氫銨為原料，經(jīng)由回流、過濾、濃縮、添加HI和再結(jié)晶等步驟合成；使用mFPEAI作為2D配體；使用Spiro-OMeTAD作為電洞傳輸材料；使用氧化錫 (SnOx)作為電子傳輸材料。

●器件結(jié)構(gòu)：本研究采用 n-i-p 型結(jié)構(gòu)：ITO/SnOx/鈣鈦礦/鈍化層/Spiro-OMeTAD/MoOx/Ag。

●薄膜制備：

1.ITO 玻璃基板清潔：使用清潔劑、丙酮和異丙醇進行超音波清洗。

2.SnOx 電子傳輸層沉積：將稀釋的 SnOx 奈米粒子溶液旋涂在基板上，經(jīng)退火和 UVO 處理。

3.鈣鈦礦層沉積：將混合前驅(qū)物溶液旋涂在SnOx層上，并在進行氣體淬滅。接著在70°C 熱板上加熱，150°C 環(huán)境中退火。

4.鈍化層處理：

■單配體處理：將 mFPEAI 溶液旋涂在鈣鈦礦表面。

■DLP 處理：將 mFPEAI 和 MeCZEAI 的混合溶液旋涂在鈣鈦礦表面。

5.Spiro-OMeTAD 電洞傳輸層沉積：將摻雜 TBP、Li-TFSI 和 FK209 的 Spiro-OMeTAD 溶液旋涂在鈍化層上。

6.電極沉積：蒸鍍氧化鉬 (MoOx) 和銀 (Ag) 電極。

器件與表征

●電流-電壓 (J-V) 特性曲線：

研究團隊使用Enlitech的太陽光模擬器 (SS-PST220R)模擬AM 1.5G太陽光照條件進行 J-V 曲線量測。組件展現(xiàn)出更高的 開路電壓 (Voc) 和 填充因子 (FF)，進而提升了整體效率。

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使用雙配體鈍化 (DLP) 處理的小面積組件 (0.05 cm2)，其 PCE 可以達到 25.86%，Voc 為 1196 mV，FF 為 83.7%。（圖4c及表S2）

1 cm2 的組件，DLP 處理的效率可達 25.08%。直接證明了DLP策略在提升組件效率上的優(yōu)勢。（圖4e）

●瞬態(tài)吸收光譜 (TA)：

分析量子阱分布，單配體 mFPEAI 處理的鈣鈦礦表面，出現(xiàn) n=1 和 n=2 兩種2D鈣鈦礦的特征吸收峰（圖S3），表示存在多種2D相。

圖 1d 顯示單配體 mFPEAI 處理的鈣鈦礦表面的 TA 光譜，圖 1e 顯示 DLP 處理的鈣鈦礦表面的TA光譜。

●外部量子效率 (EQE)：

DLP處理的組件，其積分電流密度(integrated current density)可達 25.57 mA/cm2。藉由對EQE曲線進行微分，可觀察到797 nm處的波谷，對應的能隙為 1.55 eV，進一步驗證了DLP策略提升光電轉(zhuǎn)換效率的能力。（圖4d）

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●光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (PLQY)：

DLP處理的樣品，其PLQY高達 12%，遠高于單配體處理的樣品的 9%，顯示DLP策略能 有效減少非輻射復合。（圖2d）

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●時間解析光致發(fā)光 (TRPL)：測量載子壽命。DLP 處理的鈣鈦礦薄膜，其平均載子壽命 τave 為 1.77 μs，約為單配體處理的 0.80 μs 的兩倍。減少了陷阱輔助的非輻射復合以及更均勻的能量分布。（圖2c）

其他表征：

●隱含開路電壓 (iVoc)：從 PLQY 數(shù)據(jù)中，研究團隊得到，在一個太陽光強度下，DLP 處理的樣品 iVoc 達到 1229 mV。（圖2b）

●X 射線光電子能譜 (XPS)：分析表面元素化學狀態(tài)。氟 (F) 的強度明顯高于 單配體處理的表面，表示2D層更富集在鈣鈦礦表面，且有更好的空間局限效應。（圖S6）

●原子力顯微鏡 (AFM)：用于測量表面粗糙度。（圖S8）

●掃描電子顯微鏡 (SEM)：用于觀察表面形貌。（圖S9）

●Kelvin 探針顯微鏡 (KPFM)：用于測量表面電位。（圖3d、3e 和 3f）

●紫外光電子能譜 (UPS)：測量鈣鈦礦的價帶能階。（圖3a、3b）

●空間電荷限制電流 (SCLC)：用于計算陷阱密度和載子遷移率。（圖S10a）

●瞬態(tài)光電壓 (TPV) 和瞬態(tài)光電流 (TPC)：用于分析電荷復合和電荷傳輸 動力學。（圖S13）

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●掠入射 X 射線繞射 (GIXRD)：用于分析晶體結(jié)構(gòu)。（圖S7）

●核磁共振儀HNMR：分析分子結(jié)構(gòu)。（圖S1和S2）

總結(jié)：

本研究成功開發(fā)了一種雙配體鈍化 (DLP) 策略，有效地調(diào)控了鈣鈦礦太陽能電池中2D鈍化層的量子阱分布，解決了傳統(tǒng)2D鈍化層的缺陷，并提升了器件的性能和穩(wěn)定性。以下是本研究的主要成果：

l   提升組件效率：使用DLP策略的 0.05 cm2 組件，最高功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 可達 25.86%，開路電壓 (Voc) 為 1196 mV，填充因子 (FF) 為 83.7%18。 此外，1 cm2 的組件，PCE 仍可達到 25.08%。

l   改善界面特性：DLP 處理的鈣鈦礦表面，具有更均勻的表面電位分布，且界面處的電場強度也獲得提升，有助于載子分離和收集。

l   提高組件穩(wěn)定性：

1.            經(jīng)過 1000 小時的最大功率點追蹤 (MPPT) 測試，DLP 處理的組件仍保持初始效率的 93%，展現(xiàn)了優(yōu)異的長期操作穩(wěn)定性。

在 85°C 的加熱測試下，DLP 處理的組件在 300 小時后仍保持初始效率的 82%，顯示了良好的熱穩(wěn)定性。

文獻參考自Journal of the American Chemical Society_DOI: 10.1021/jacs.4c14473

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