研究背景與挑戰(zhàn)

鈣鈦礦/C60 接口的嚴重電荷復合現(xiàn)象是制約鈣鈦礦太陽能電池性能提升的關(guān)鍵瓶頸。此問題主要源于兩個機制：

1.       C60 與鈣鈦礦導帶底 (CBM) 間的能量偏移直接限制了器件的開路電壓 (Voc)

2.       C60 誘發(fā)的高陷阱態(tài)密度 (Nt) 導致 Voc 呈對數(shù)式衰減。

目前常用的接口鈍化材料如 LiF 或 PEAI 雖可緩解此問題，但存在明顯局限性：制備重現(xiàn)性不佳、試錯成本偏高，且在高填充密度條件下難以實現(xiàn)均勻表面覆蓋。

研究團隊

本研究由香港中文大學 Martin Stolterfoht 教授與華東理工大學吳永真（Yongzhen Wu）教授共同主導。研究團隊與德國多所院校合作，包括波茨坦大學、柏林洪堡大學，以及弗賴堡大學等機構(gòu)。

該成果已發(fā)表于 ACS Energy Letters 期刊。研究團隊成功開發(fā)出新型揮發(fā)性介電層材料 BA-8FH，有效解決了鈣鈦礦/C60 接口的電荷復合難題，顯著提升了器件效率和操作穩(wěn)定性。

重點研究成果與發(fā)現(xiàn)

Fig2ab: 直接呈現(xiàn)了光致發(fā)光量子效率 (PLQY) 的測量結(jié)果，這是一個衡量非輻射復合損失的關(guān)鍵指標

1.       創(chuàng)新材料設計：研究成功開發(fā)新型揮發(fā)性介電層材料 BA-8FH (1,6-bis(acryloyloxy)-2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorohexane)，用于鈣鈦礦/C60 界面優(yōu)化。BA-8FH 具有低沸點特性 (約90°C)，在鈣鈦礦退火過程 (100°C) 中大部分材料揮發(fā)，最終形成約8 ? 的功能性單層。其含氟官能基團有效降低接口復合，同時揮發(fā)性特性提供極寬的制備窗口 (1-200 mg/mL)，實現(xiàn)高重現(xiàn)性。

2.       非輻射復合抑制效果：光致發(fā)光量子效率 (PLQY) 測量顯示，控制組鈣鈦礦/C60 樣品的PLQY 從5.2%劇降至0.19%，而BA-8FH 處理樣品維持在5.3%，證實C60 誘導的非輻射復合已被有效消除。準費米能級劈裂 (QFLS) 分析進一步確認此結(jié)果：控制組損失86 mV，BA-8FH 樣品幾乎無損失，理想因子由1.61 改善至1.45。

3.       器件性能：BA-8FH 處理的器件實現(xiàn)24.68%的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，開路電壓1.206 V，短路電流密度24.69 mA/cm2，填充因子83.14%。第三方認證效率達24.07%，開路電壓1.22 V。對于1.58 eV 帶隙的鈣鈦礦，非輻射電壓損失僅87 mV，開路電壓達熱力學極限的94%。

4.       載流子動力學優(yōu)化：瞬態(tài)表面光電壓 (tr-SPV) 測量顯示，BA-8FH 處理的HTL/鈣鈦礦樣品展現(xiàn)更快的信號響應和更大的SPV 振幅，表明非輻射復合損失顯著減少。然而，在完整器件結(jié)構(gòu)中，BA-8FH 實際上會減緩電子向C60 的傳輸速率。研究證實，抑制接口復合所帶來的載流子壽命延長效應遠比加速電子傳輸更為關(guān)鍵。二維光電模擬驗證了實驗結(jié)果，強調(diào)介電層完整覆蓋的重要性——「針孔」缺陷會顯著影響器件的填充因子和開路電壓。

5.       長期穩(wěn)定性提升：在AM 1.5 連續(xù)光照、40%相對濕度、40°C 條件下進行最大功率點追蹤測試，BA-8FH 器件在1200小時后仍保持90%初始性能，明顯優(yōu)于控制組的80%。不同BA-8FH 濃度的器件展現(xiàn)相似的穩(wěn)定性，驗證了材料設計的可靠性。

6.       表面表征驗證 SEM：分析確認BA-8FH 不改變鈣鈦礦表面形貌，XPS 光譜證實BA-8FH 在鈣鈦礦表面形成均勻單層，F 1s、C 1s 和Pb 4f 高分辨譜進一步驗證了接口修飾的有效性。

實驗步驟與過程

Figure1b

鈣鈦礦溶液制備:配制三陽離子鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，成分為Cs?.??(MA?.??FA?.??)?.??Pb(I?.??Br?.??)?。

薄膜制備與界面修飾:采用旋涂工藝制備鈣鈦礦薄膜并進行熱退火。隨后將不同濃度(1-200 mg/mL)的BA-8FH溶液旋涂于鈣鈦礦表面，在100°C下短時退火使大部分BA-8FH揮發(fā)，形成約8 ?厚的功能性單層。

電極制備：在真空環(huán)境下依序蒸鍍C60電子傳輸層(30 nm)、BCP緩沖層(8 nm)和銅電極(100 nm)，完成器件組裝。

性能表征：測量電流-電壓(J-V)特性曲線，提取功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)、開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)和填充因子(FF)等關(guān)鍵參數(shù)。

界面復合分析：透過光致發(fā)光量子效率(PLQY)測量和準費米能級劈裂(QFLS)計算，量化BA-8FH對界面非輻射復合的抑制效果。

載流子動力學研究：利用瞬態(tài)表面光電壓(tr-SPV)測量探討載流子在鈣鈦礦/C60接口的提取和復合動力學，結(jié)合瞬態(tài)吸收光譜(TAS)進一步分析載流子動態(tài)過程。

理論模擬驗證：建立二維光電模擬模型，分析BA-8FH層覆蓋均勻性和能量對準對器件Voc和FF的影響，解釋實驗現(xiàn)象。

穩(wěn)定性測試：對封裝器件進行持續(xù)光照下的最大功率點追蹤測試，評估其在特定濕度和溫度條件下的長期運行穩(wěn)定性。

表征手法與過程

PLQY 與 QFLS 分析

使用520 nm CW雷射作為激發(fā)源，通過積分球系統(tǒng)測量絕對光致發(fā)光。雷射強度調(diào)整至1 sun等效強度，使短路電流密度與太陽模擬器下的Jsc匹配。準費米能級分裂（QFLS）根據(jù)公式QFLS = (Vth) ln (PLQY × JG / J0,rad)計算，其中J0,rad為6.9 × 10?2? A/m2。

BA-8FH對純鈣鈦礦薄膜的鈍化效果微乎其微，石英/鈣鈦礦樣品的PLQY在處理前后相似（13.6% vs 15.7%）。HTL/鈣鈦礦樣品亦展現(xiàn)類似趨勢，QFLS差異僅7 meV。然而，引入C60后差異顯著放大。對照組「p-i-n」樣品（HTL/鈣鈦礦/C60）的PLQY從5.2%劇降至0.19%，造成86 mV的QFLS損失，證實鈣鈦礦/C60接口存在嚴重非輻射復合。

BA-8FH處理的「p-i-n」樣品PLQY維持在5.3%，與對照組HTL樣品（5.2%）基本相同，有力證明BA-8FH成功消除了C60引起的非輻射復合。

圖2a： 展示不同樣品結(jié)構(gòu)的PLQY和QFLS比較，突顯BA-8FH對C60誘導損失的抑制效果。

圖2b： 可視化不同樣品中電壓損失的貢獻分析，顯示BA-8FH如何減少接口復合損失。

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電流-電壓（J-V）曲線

在標準AM 1.5G照明條件下，使用太陽光模擬器提供100 mW cm?2光照，于25°C下以20 mV/s掃描速率測量，活性面積9 mm2，進行正向和反向掃描評估遲滯效應。

BA-8FH處理的器件在逆向掃描下實現(xiàn)24.7%的PCE，開路電壓1.21 V，短路電流密度24.7 mA/cm2，填充因子83.1%。對照組器件PCE為22.0%（Voc 1.126 V，Jsc 24.6 mA/cm2，FF 80.1%）。第三方認證效率達24.07%（Voc 1.22 V，Jsc 23.4 mA/cm2，FF 84.4%）。掃描速率依賴性測量顯示BA-8FH樣品的離子損失更少，證實了更佳的接口質(zhì)量。

圖1b： 展示BA-8FH處理器件在不同濃度下的性能統(tǒng)計，顯示在30-200 mg/mL范圍內(nèi)實現(xiàn)「飽和鈍化」效果。

圖5d： 對比控制組和BA-8FH處理器件的J-V曲線，顯示Voc提升約80 mV，FF提升約3.5%。圖5e： BA-8FH器件的第三方認證J-V曲線。

EQE 測量

測量外部量子效率，確定器件在不同波長光照下將入射光子轉(zhuǎn)換為電子電流的效率。

BA-8FH處理器件的積分電流密度為23.7 mA/cm2，對照組為23.5 mA/cm2，這些數(shù)值與J-V曲線測得的Jsc在5%誤差范圍內(nèi)匹配，驗證了測量的一致性。從EQE數(shù)據(jù)計算出鈣鈦礦的輻射飽和電流密度J0,rad為6.9 × 10?2? A/m2，并確認帶隙為1.58 eV。

圖S19： 展示控制組和BA-8FH處理器件的EQE曲線及對應的積分電流密度比較。

圖S3： 顯示從EQE數(shù)據(jù)計算的J0,rad和帶隙信息，內(nèi)嵌圖展示d(EQE)/dE與光子能量的關(guān)系，證實1.58 eV帶隙。

EL 影像測量

施加等效AM1.5光生電流，使用CCD相機記錄電致發(fā)光影像。

BA-8FH處理器件的發(fā)光強度為對照組的30倍（19 vs 0.6單位/像素），與Voc提升80 mV一致，證實非輻射復合有效抑制。

圖2e： 展示有/無BA-8FH處理完整器件的電致發(fā)光映像圖，直觀顯示發(fā)光強度的巨大差異。

UPS 與 XPS 測量

XPS在超高真空下測量，UPS使用21.22 eV氦燈分析能帶排列。

XPS確認BA-8FH成功沉積：F 1s峰（688.3 eV）和C信號證實存在，Pb 4f/I 3d信號位移0.44 eV表明強烈相互作用，層厚約8 ?。UPS顯示能級優(yōu)化：鈣鈦礦/C60能級差從210 meV降至130 meV，改善80 meV。

圖3a： 展示F 1s、C 1s和Pb 4f的高分辨率XPS光譜，證實BA-8FH存在和相互作用。

圖3b： 顯示鈣鈦礦/C60接口的能級圖，展示BA-8FH如何改善能級對準。

瞬態(tài)光電壓與瞬態(tài)光致發(fā)光測量 (tr-SPV/TPV and TRPL)

tr-SPV使用515 nm脈沖雷射追蹤載流子動力學，TRPL測量復合壽命。

BA-8FH雖減緩電子至C60轉(zhuǎn)移，但顯著延長載流子壽命。純鈣鈦礦SRH壽命2100 ns，加C60后降至95 ns，BA-8FH處理后維持1100 ns。復合抑制比加速轉(zhuǎn)移更關(guān)鍵。

圖4a-4d： 展示不同樣品結(jié)構(gòu)的tr-SPV和TRPL結(jié)果比較，說明BA-8FH對載流子動力學的影響。

瞬態(tài)吸收光譜測量 (TAS)

使用50 fs、530 nm泵浦脈沖，寬帶白光探測載流子動態(tài)。

BA-8FH有效抑制信號淬滅：對照組漂白信號7 ns內(nèi)從0.62衰減至0.35，BA-8FH樣品信號恒定，證實接口復合抑制。

圖S14-S15： 展示不同樣品在730 nm處的歸一化動力學和TAS曲線，證實BA-8FH對界面復合的抑制效果。

其他表征

SEM (Scanning Electron Microscope)

觀察材料微觀形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)。BA-8FH層極?。?/span><5 nm），兩組樣品晶粒尺寸和形態(tài)相似，表明BA-8FH不影響鈣鈦礦結(jié)晶。（圖1a、圖S2、圖S5）

RPV (Resistance-dependent Photovoltage)

揭示載流子到達器件電極的時間。BA-8FH樣品顯示較慢的載流子提取時間，與tr-SPV結(jié)果一致。（圖S13）

2D 模擬 (2D Simulations)

使用Sentaurus TCAD建立光電模擬模型，研究針孔對器件性能影響。即使存在針孔，當間距達20 nm時Voc不受損害，支持BA-8FH高覆蓋率的重要性。（圖3c、圖3d、圖S10-S11）

操作穩(wěn)定性 (MPP Tracking)

在40%濕度、40°C環(huán)境下進行最大功率點追蹤測試。BA-8FH器件1200小時后保持90%初始性能，對照組僅80%，證實減少非輻射復合提升運行穩(wěn)定性。（圖5g、圖S20、圖S26）

結(jié)論

研究成功開發(fā)出揮發(fā)性高密度分子中間層BA-8FH，有效解決了鈣鈦礦/C60接口長期存在的非輻射復合挑戰(zhàn)，顯著提升了倒置型鈣鈦礦太陽能電池的性能和操作穩(wěn)定性。

關(guān)鍵成果

1. 非輻射復合有效抑制：BA-8FH形成極薄致密中間層（約0.8 nm單分子層），有效消除C60引起的非輻射界面復合損失。通過形成正偶極層優(yōu)化能階對齊，將鈣鈦礦/C60能量錯位從210 meV降至130 meV，改善80 meV能量差異。其揮發(fā)性特性確保**>99%表面覆蓋率**，防止載流子通過針孔區(qū)域流失。

2. 光電轉(zhuǎn)換效率顯著提升：BA-8FH處理器件實現(xiàn)24.7% PCE（認證24.1%），開路電壓1.21 V，填充因子83.1%。相較對照組，PCE提升3.5%，Voc提升80 mV，FF提升3.5%。非輻射電壓損失僅87 meV，達到1.58 eV帶隙鈣鈦礦熱力學極限的94%。

3. 操作穩(wěn)定性大幅改善：在40%濕度、40°C環(huán)境下，BA-8FH器件經(jīng)1200小時最大功率點追蹤后保持90%初始性能，對照組僅80%，證實非輻射復合抑制與穩(wěn)定性提升的直接關(guān)聯(lián)。

4. 廣泛適用性：BA-8FH適用于多種鈣鈦礦組成和能隙（1.54-1.77 eV），均觀察到Voc和FF提升，展現(xiàn)作為通用接口層的巨大潛力。

文獻參考自ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00615

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