PEAI界面工程调控赤铁矿/钙钛矿界面以同步提升光伏效率与运行稳定性

《Results in Engineering》：Engineering the Hematite/Perovskite Interface with a PEAI Interlayer to Boost Efficiency and Operational Stability

本研究针对赤铁矿(α-Fe2O3)电子传输层表面陷阱密度高、界面复合严重的问题，创新性地引入苯乙基碘化铵(PEAI)作为界面修饰层。通过系统优化PEAI浓度，研究发现1.5 mg/mL处理使器件效率从14.49%提升至15.86%，开路电压(VOC)和填充因子(FF)同步改善，漏电流降低11.9倍，器件在1000小时运行后仍保持81%的初始效率。该研究为开发高效稳定的赤铁矿基钙钛矿太阳能电池提供了新策略。

　　

在可再生能源技术快速发展的今天，钙钛矿太阳能电池(PSCs)以其惊人的发展速度成为光伏领域的新星。短短十年间，其认证效率从最初的3.8%飙升至26%以上，足以与传统硅基太阳能电池媲美。这种飞跃得益于钙钛矿材料独特的优势：强大的光吸收能力、优异的电荷传输特性、可调节的能带结构以及较长的载流子扩散长度。更重要的是，钙钛矿电池可以通过溶液法在低温下制备，甚至能够沉积在柔性基底上，为低成本、大规模生产带来了希望。

然而，通往商业化的道路仍布满荆棘。性能衰减和稳定性不足成为制约其实际应用的主要瓶颈。在钙钛矿电池的多种结构设计中，平面异质结结构因制备工艺简单、易于放大而备受关注。但电子传输层(ETL)与钙钛矿之间的界面缺陷、能带失配和电荷复合问题严重限制了器件性能的进一步提升。

目前，二氧化钛(TiO₂)和二氧化锡(SnO₂)是常用的电子传输层材料，但它们各有不足：TiO₂存在光催化活性和低温不稳定性问题，而SnO₂虽具有较高电子迁移率，但仍需探索更优替代材料。赤铁矿(α-Fe₂O₃)作为一种丰富的铁氧化物材料，近年来展现出作为电子传输层的潜力。它具有良好的能带匹配、化学稳定性和无毒特性，且能够在较低温度下加工。但赤铁矿的电子迁移率相对较低，表面存在大量陷阱态，这些问题阻碍了其在高性能钙钛矿电池中的应用。

针对这一挑战，青岛科技大学的研究团队在《Results in Engineering》上发表了一项创新性研究，他们首次将苯乙基碘化铵(PEAI)作为界面层引入到赤铁矿与钙钛矿之间，系统探究了该策略对界面改性的效果。研究人员通过精确调控PEAI浓度，成功实现了对赤铁矿表面的有效钝化，显著提升了器件的光电性能和运行稳定性。

本研究主要采用溶胶-凝胶法制备赤铁矿薄膜，通过旋涂不同浓度的PEAI异丙醇溶液进行界面修饰，利用三重阳离子钙钛矿(CsFAMA)作为光吸收层，并采用Spiro-OMeTAD作为空穴传输层。通过X射线衍射(XRD)分析薄膜晶体结构，紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)表征光学性能，场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察表面形貌，电流密度-电压(J-V)测试评估光伏性能，外量子效率(EQE)光谱分析光电转换特性，稳态/时间分辨光致发光谱(PL/TRPL)研究载流子动力学，空间电荷限制电流法(SCLC)测算陷阱密度，并进行了长期稳定性测试。

结果与讨论

光伏性能提升

电流密度-电压测试结果显示，PEAI修饰显著改善了器件性能。未修饰的原始器件效率为14.49%，而经1.5 mg/mL PEAI处理后，效率提升至15.86%。具体参数方面，短路电流密度(J_SC)从19.23 mA/cm²增至19.55 mA/cm²，开路电压(V_OC)从1.09 V提高至1.11 V，填充因子(FF)从69.13%改善至73.08%。过高的PEAI浓度(2.0 mg/mL)会导致性能下降，表明界面层厚度需精确优化。

外量子效率谱显示，PEAI修饰后的器件在400-750 nm波长范围内响应明显增强，表明界面修饰改善了电荷提取效率。稳态功率输出测试进一步证实，PEAI处理器件的稳定效率达14.50%，显著高于原始器件的11.39%。

界面特性改善

X射线衍射分析表明，PEAI处理不改变赤铁矿的晶体结构，其主要功能在于界面修饰而非体相改性。透过率测试显示PEAI层具有高透明度(>85%)，不会引起寄生吸收。吸收光谱表明PEAI处理增强了钙钛矿层的光捕获能力。

扫描电镜图像揭示，PEAI修饰使赤铁矿表面更加平整、致密，减少了晶界间的空隙，这有利于形成高质量的钙钛矿层。原始赤铁矿薄膜表面粗糙且存在明显孔洞，而易产生界面缺陷。

载流子动力学优化

光致发光测试表明，PEAI处理显著淬灭了PL信号，表明界面电荷提取效率提高。时间分辨光致发光衰减曲线采用双指数函数拟合，PEAI处理使平均载流子寿命从105.34 ns缩短至57.58 ns，证明界面电荷转移更加迅速。

暗电流测试显示，PEAI修饰使反向偏压下的漏电流降低了11.9倍，表明界面缺陷密度显著减少。空间电荷限制电流测试进一步证实，陷阱填充极限电压(V_TFL)从0.12 V降至0.09 V，降幅达25%，直接反映了陷阱态密度的降低。

稳定性与重现性提升

最大功率点跟踪测试表明，经过1000小时连续运行，PEAI修饰器件仍保持81%的初始效率，而原始器件仅保留64%。20个器件的统计分析显示，PEAI处理不仅提高了平均效率，还显著降低了性能波动，标准偏差从1.59%降至0.94%，证明了该策略的良好重现性。

研究结论与意义

本研究成功证实了PEAI作为界面层在赤铁矿基钙钛矿太阳能电池中的有效性。通过系统优化PEAI浓度，研究人员实现了对赤铁矿/钙钛矿界面的精确调控，显著降低了界面陷阱密度，改善了电荷传输动力学，提升了器件的光电转换效率和运行稳定性。

该研究的创新点在于首次将PEAI界面工程策略应用于赤铁矿电子传输层，解决了其表面陷阱密度高、界面复合严重的关键问题。PEAI中的苯乙铵阳离子能够与赤铁矿表面的不饱和位点配位，碘阴离子则有助于维持界面化学计量平衡，共同作用实现了有效的界面钝化。

值得注意的是，该研究不仅关注效率提升，还重点考察了器件的长期稳定性，PEAI修饰器件在1000小时运行后仍保持81%的初始效率，这一结果对于钙钛矿太阳能电池的实际应用具有重要意义。

然而，该研究也存在一定局限性，如赤铁矿需要高温退火处理，PEAI层厚度对沉积条件敏感，缺乏大面积器件评估等。未来研究可探索可扩展的沉积工艺，研究PEAI衍生物的作用机制，并将该策略拓展至柔性器件和叠层电池架构中。

总体而言，这项工作为开发高效、稳定的赤铁矿基钙钛矿太阳能电池提供了新思路，通过简单的界面修饰策略实现了性能的显著提升，为钙钛矿光伏技术的商业化进程提供了有益参考。