竞争性结合埋底界面层实现全年可重复制备的高效钙钛矿太阳能电池

《SCIENCE ADVANCES》：Competitive-binding buried interlayer for year-round reproducible perovskite solar cells

本文报道了一种磷酸二氢钾（PDP）竞争性结合埋底界面层策略，通过强化学相互作用系统减少钙钛矿薄膜埋底界面残留溶剂，实现界面均质化，提升薄膜质量和电荷提取能力，使器件在全年不同温湿度条件下均呈现优异的光伏性能与重复性，认证效率达25.8%，并在持续运行1000小时后仍保持97%的初始效率。

　　

在能源需求日益紧迫的全球背景下，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为一种颇具前景的光伏技术，近年来在学术界和工业界引起了广泛关注。实现高性能PSCs的关键在于获得高质量的钙钛矿薄膜和有效的电荷提取。然而，钙钛矿薄膜与电荷选择性层之间的异质界面，特别是难以触及和调控的“埋底界面”（buried interface），存在的缺陷——如残留的碘化铅（PbI₂）、空隙、晶面凹陷等——严重限制了器件性能，尤其是其在不同季节温湿度变化下的可重复制备性和长期稳定性。尽管通过后处理策略均质化上表面已取得显著进展，但对于钙钛矿薄膜形成后随机出现在埋底界面的缺陷，目前尚无有效的后制备修复方法。这些缺陷成为载流子陷阱，导致非辐射复合，是提升PSCs效率与稳定性的主要瓶颈。因此，开发一种能够有效均质化埋底界面、提升器件性能与重复性的新策略，成为该领域亟待解决的关键科学问题。针对这一挑战，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究论文“Competitive-binding buried interlayer for year-round reproducible perovskite solar cells”提出了一种创新的界面工程策略。

为开展研究，研究人员主要运用了密度泛函理论（DFT）计算以揭示分子间相互作用机制，采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征薄膜形貌与结晶性，利用X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱分析化学态和键合作用，通过瞬态吸收（TA）光谱、稳态/时间分辨光致发光（PL/TRPL）谱、热导纳谱（TAS）等手段评估电荷提取动力学与缺陷态，并进行了电致发光量子产率（EQE_EL）测试和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析以探究非辐射复合损失和离子迁移行为。器件的光伏性能通过电流密度-电压（J-V）测试和最大功率点跟踪（MPPT）进行评价。

Intermolecular interactions at the buried interface

研究人员通过系统的DFT计算揭示了埋底界面的分子间相互作用。结果表明，常用溶剂DMF和DMSO与SnO₂电子传输层的结合能远高于与PbI₂的结合能，导致溶剂易残留于界面。引入的磷酸二氢钾（PDP）竞争性结合中间层与SnO₂具有极强的结合能，并能通过其分子结构中的孤对电子与PbI₂发生强螯合作用，从而竞争性地减少溶剂在界面的残留。XPS和核磁共振（NMR）结果证实了PDP的成功修饰以及残留溶剂的显著减少。

Homogenizing the buried interface

通过减少界面残留溶剂，PDP修饰有效均质化了埋底界面。SEM显示PDP处理后的PbI₂薄膜呈现更疏松多孔的结构，有利于与甲脒碘（FAI）反应。原位PL光谱和XRD分析表明，PDP加速了钙钛矿的成核过程，抑制了有害杂质相（如2H相）和退火过程中PbI₂的生成，促进了α相FAPbI₃的结晶。剥离钙钛矿薄膜后观察其埋底界面，发现对照组存在大量的PbI₂、空隙和晶面凹陷，而PDP处理组则实现了均质、平整的界面和更大的晶粒。

Nonradiative recombination suppression at the buried interface

界面均质化显著抑制了非辐射复合。低温PL测试表明PDP处理降低了电子-声子耦合系数，延长了载流子寿命和扩散长度。TAS显示缺陷态密度显著降低。UPS分析表明PDP使SnO₂的费米能级上移，降低了与钙钛矿的能级势垒。TA光谱证实PDP处理加速了界面电子提取。这些改进共同导致了器件开路电压（V_oc）和填充因子（FF）的提升。

Photovoltaic performance of PSCs

基于n-i-p结构（FTO/SnO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au）的PSCs器件测试表明，PDP处理使冠军器件的能量转换效率（PCE）提升至26.3%（认证效率25.8%），对应1.028 cm²大面积器件的效率达25.17%。器件滞后效应减弱，稳定功率输出提升。EQE_EL测试表明非辐射复合电压损失（?V_oc^nonrad）降低。更重要的是，在春、夏、秋、冬四季不同温湿度条件下制备的器件均表现出高且一致的PCE，显著提升了器件全年制备的重复性。

Durability of perovskite films and PSCs

PDP中间层还增强了器件稳定性。在85°C加热老化后，对照组埋底界面出现严重的PbI₂和Pb⁰降解产物，而处理组界面仍保持均质。温度依赖电导率测试和TOF-SIMS表明PDP有效抑制了离子迁移。器件在连续1太阳光照、55°C条件下进行MPPT测试1000小时后，仍能保持97%的初始效率；在85°C热老化1000小时后，也能保持90%以上的初始效率。

该研究通过引入PDP竞争性结合埋底界面层，系统解决了钙钛矿太阳能电池埋底界面缺陷难题。研究揭示了残留溶剂是导致界面缺陷的根源，并通过强化学相互作用有效减少了溶剂残留，实现了埋底界面的均质化，从而同步提升了钙钛矿薄膜质量、电荷提取能力以及器件的性能、稳定性和可重复性。这项工作不仅为制备高效、稳定、可重复的钙钛矿太阳能电池提供了创新策略，也凸显了埋底界面调控在光电器件中的关键作用，对未来光伏技术的发展具有重要的指导意义。