鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的功率轉換效率（PCE）達到創紀錄的25。5%，但因其活性層含有的有機成分（例如甲銨（MA））具有高揮發性會破壞器件的長期執行穩定性。因此，不含揮發性有機成分的全無機金屬鹵化物鈣鈦礦有望在保持出色的熱穩定性的前提下，實現高效率。日前，陝西師範大學田慶文&向萬春&劉生忠團隊在無機鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率方面取得進展，相關資料以Rational Surface-Defect Control via Designed Passivation for High-Efficiency Inorganic Perovskite Solar Cells為題發表在Angewnate Chemie International Edition上。

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https：//onlinelibrary。wiley。com/doi/10。1002/anie。202109724

由於鈣鈦礦的軟離子晶體性質，在薄膜製備和操作過程中無法避免缺陷，鈣鈦礦的晶界和表面存在高密度的缺陷。其中，未配位的Pb2+和鹵化物空位是鈣鈦礦薄膜表面上濃度最高的缺陷，會導致嚴重的非輻射覆合。缺陷鈍化以阻止非輻射覆合和提高器件穩定性對於實現具有優異穩定性的高效能PSC具有重要意義。

對於高質量的單層鈣鈦礦薄膜，與表面缺陷相比，薄膜內部缺陷對效能的影響可以忽略不計。首先，採用密度泛函理論（DFT）計算來位於無機鈣鈦礦膜表面的各種缺陷形成能。結果表明，碘空位（VI）的形成能最低，濃度最大。其次，選擇合適的分子鈍化鈣鈦礦表面的VI缺陷。HA的分子構型可能有利於透過來自咪唑環的路易斯酸鹼反應和-NH2的氫鍵相互作用對鈣鈦礦表面缺陷進行鈍化。進一步的計算結果表明，來自-NH2和咪唑環共同作用的形成能最低。

圖1無機鈣鈦礦的表面缺陷識別和化學相互作用

透過實驗研究了鈣鈦礦與HA分子的相互作用。傅立葉變換紅外光譜（FTIR）結果中C=N與-NH2在與PbI2相互作用後的峰位變化，與計算結果一致。X射線光電子能譜（XPS）結果中N 1s峰向高結合能移動，Pb 4f峰向低結合能移動，表明HA與鈣鈦礦表面未配位的Pb2+之間存在強的化學相互作用。

圖2鈣鈦礦表面與HA之間的相互作用表徵

紫外-可見吸收光譜和Tauc圖表明HA鈍化沒有改變鈣鈦礦的帶隙。根據紫外光電子能譜（UPS）的測量結果，發現HA鈍化以後鈣鈦礦薄膜的能帶向上移動，改善了從鈣鈦礦到空穴傳輸層在器件中的空穴提取，減少介面處的空穴複合。

圖3 HA 鈍化的無機鈣鈦礦薄膜的光學特性

經過HA處理的器件的PCE提升到20。8%，而未經處理的器件PCE為19。5%，其提升主要源自於VOC和FF的提升。處理後器件VOC和FF的增強表明鈣鈦礦表面缺陷已被HA成功鈍化，且HA鈍化後的器件具有更好的重現性。

圖4基於CsPbI3-xBrx鈣鈦礦太陽電池的光伏效能

對於鈣鈦礦薄膜的一系列表徵表明，鈣鈦礦薄膜表面的缺陷被鈍化，載流子的平均壽命延長，缺陷態密度明顯降低，表明HA鈍化器件中的電荷轉移增強和電荷複合過程減少。

圖5 HA處理對CsPbI3-xBrx鈣鈦礦薄膜表面的鈍化效果

綜上所述，在這項工作中，我們研究了位於無機CsPbI3-xBrx鈣鈦礦薄膜的表面缺陷，並使用生物相容性材料HA選擇性鈍化鈣鈦礦薄膜表面的缺陷。發現HA中的咪唑環透過路易斯酸鹼反應優先與VI相互作用，而–NH2基團可以透過形成氫鍵與相鄰的鹵化物相互作用，加強了HA分子在鈣鈦礦表面的吸附。這種協同效應顯著減少了未配位的Pb2+的數量。因此，具有HA鈍化的PSC顯著提高了VOC和FF，實現了20。8%的記錄PCE。該策略提供了一種合理的設計，可以有效地鈍化無機鈣鈦礦以實現高效率。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。

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