垂直界面工程新突破：双界面修饰实现高效p-i-n结构钙钛矿太阳能电池

《Nano-Micro Letters》：Vertical Interfacial Engineering in Two-Step-Processed Perovskite Films Enabled by Dual-Interface Modification for High-Efficiency p-i-n Solar Cells

本文报道了一种通过双界面修饰策略（Sn(OTF)2和F-PEA）实现高效稳定的两步法（TSP）p-i-n结构钙钛矿太阳能电池（PSCs）的研究。该研究创新性地解决了TSP钙钛矿薄膜中残余PbI2簇垂直梯度分布导致的界面能级失配问题，通过垂直界面工程显著提升了器件的光电转换效率（PCE）至25.6%，并展现出优异的操作稳定性，为高效稳定钙钛矿光伏器件的设计提供了新思路。

　　

1引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其成本低、效率高和缺陷容忍度好等优势受到广泛关注。在p-i-n器件结构中，镍氧化物（NiO_x）作为一种无机宽禁带半导体，因其稳定性好、载流子传输效率高和加工成本低而成为有前景的空穴传输材料（HTM）。然而，基于NiO_x的两步法（TSP）p-i-n PSCs的效率很少超过24%，其性能不佳的主要原因是TSP钙钛矿薄膜中残余PbI₂簇的垂直梯度分布，这些簇与钙钛矿形成肖特基异质结，导致NiO_x基TSP p-i-n PSCs中存在显著的界面能级失配。

2实验与计算

研究通过双界面修饰策略，在NiO_x/钙钛矿界面和钙钛矿/C60界面分别引入三氟甲磺酸锡（Sn(OTF)₂）和4-氟苯乙基氯化铵（F-PEA）。Sn(OTF)₂不仅增强了NiO_x薄膜的电导率，还抑制了离子迁移，并诱导形成Pb-Sn混合钙钛矿中间层，精确调控了NiO_x/钙钛矿界面的能级。F-PEA后处理则有效将表面残余PbI₂簇转化为二维钙钛矿覆盖层，钝化表面缺陷并优化钙钛矿/C60界面的能级对齐。

3结果与讨论

3.1垂直界面工程对器件性能的影响

通过掠入射X射线衍射（GIXRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析发现，TSP薄膜中的残余PbI₂主要分布在薄膜顶部表面，形成肖特基异质结，导致能带弯曲和能级失配。采用Sn(OTF)₂和F-PEA双界面修饰后，优化后的NiO_x基TSP p-i-n PSCs实现了25.6%的冠军效率，是目前TSP p-i-n结构PSCs的最高效率之一。

3.2Sn(OTF)₂对NiO_x性能的影响

密度泛函理论（DFT）计算表明，Sn(OTF)₂中的-OTF基团通过-SO₃^?与NiO_x形成配位键，增强NiO_x的电导率。XPS和傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果证实了Sn(OTF)₂与NiO_x的相互作用，提高了Ni^≥3+/Ni²⁺比率，从而增强了NiO_x的电导率。开尔文探针力显微镜（KPFM）和紫外光电子能谱（UPS）结果显示，Sn(OTF)₂修饰提高了NiO_x的功函数，优化了能级对齐。

3.3双界面修饰对钙钛矿结晶和性能的影响

原位光致发光（PL）光谱和扫描电子显微镜（SEM）显示，Sn(OTF)₂修饰后的钙钛矿薄膜结晶度提高，晶粒尺寸增大。X射线衍射（XRD）和XPS分析表明，Sn²⁺成功掺入钙钛矿晶格，形成Pb-Sn混合钙钛矿中间层，提高了价带顶（VBM），优化了界面能级对齐。F-PEA后处理进一步形成了二维钙钛矿覆盖层，钝化了表面缺陷，提高了薄膜的疏水性。

3.4能级对齐与电荷动力学研究

深度分析UPS测量表明，双界面修饰显著减少了NiO_x/钙钛矿和钙钛矿/C60界面的能级失配。空间电荷限制电流（SCLC）和莫特-肖特基（Mott-Schottky）分析显示，Sn(OTF)₂+F-PEA器件具有更低的缺陷密度和更高的内置电势，有效抑制了非辐射复合，提高了电荷提取效率。

3.5双界面修饰对器件稳定性的影响

未封装器件在环境条件下（30-40%相对湿度）的稳定性测试表明，Sn(OTF)₂+F-PEA器件的T₈₀寿命超过1080小时，显著优于对照器件。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析证实，双界面修饰有效抑制了离子迁移，提高了器件的长期稳定性。

4结论

通过Sn(OTF)₂和F-PEA的双界面修饰，成功实现了TSP钙钛矿薄膜的垂直界面工程，解决了残余PbI₂簇导致的能级失配问题。该策略显著提高了NiO_x基TSP p-i-n PSCs的效率和稳定性，为高效稳定钙钛矿太阳能电池的开发提供了新途径。