北京大学，最新Nature Energy!

鉴于此，北京大学朱瑞教授、赵丽宸博士选择双(2-氨基乙基)醚(BAE)作为n–i–pPSC中钙钛矿和电子传输层(ETL)之间的界面分子，并制定了一种协调BAE双边键强度的策略。具体而言，他们通过掺杂来操纵ETL的电子结构，以增加BAE–ETL键的强度。这从而导致BAE–钙钛矿键的减弱。界面分子双边键的协调使得PSC的效率超过26.5%（认证为26.31%），并且稳定性得到提高。相关研究成果以题为“Harmonizing the bilateral bond strength of the interfacial molecule in perovskite solar cells”发表在最新一期《Nature Energy》上。

【BAE与SnOx和TiOx相互作用的结果】

双（2-氨基乙基）醚（BAE）作为钙钛矿太阳能电池（PSC）埋入界面的界面分子被引入。作者探讨了BAE分子如何通过与SnOx和TiOx等电子传输层(ETL)的相互作用来影响PSC。BAE分子含有两个氨基(-NH₂)，每个氨基都能钝化PSC堆叠中的不同表面。一个-NH₂基团锚定在ETL表面，而另一个基团与钙钛矿中的缺陷（例如不配位的铅离子）螯合，从而减少非辐射复合损失。当BAE应用于基于SnOx的PSC时，它主要通过减少非辐射复合来提高功率转换效率（PCE）。这种效应在经过BAE处理的SnOx基PSC的JV曲线中很明显（图1a），显示开路电压(VOC)增加。然而，BAE与基于TiOx的PSC的相互作用显示出不利影响，导致器件效率显着下降（图1b）。这种负面结果在视觉上是显而易见的，因为经过BAE处理的TiOx基器件的背面呈现出独特的白色条纹，表明形成了树枝状晶体（图1c）。这些晶体归因于BAE和TiOx表面之间的强烈相互作用，导致埋入界面处产生缺陷和空隙，横截面扫描电子显微镜(SEM)图像证实了这一点（图1e）。作者通过实验探索了BAE和钙钛矿成分之间的化学相互作用。将BAE与FAPbI₃和PbI₂溶液混合会导致颜色变化并形成白色粉末沉淀物，这表明BAE与钙钛矿成分（主要与铅(Pb)）之间存在强烈的相互作用（图1f）。密度泛函理论(DFT)计算证实了这些观察结果，表明BAE在TiOx表面上的结合能(Eb)与BAE在钙钛矿上的结合能相似，表明BAE与两种材料形成了相当强的键（图1g-1j）。

图 1. BAE 作为界面分子的作用

【BAE 分子双边键的协调】

关键问题是BAE分子与ETL和钙钛矿形成牢固的键，这可能会在器件制造和操作过程中导致负面结果。具体来说，与TiOx的相互作用会导致埋入界面处的聚集和缺陷。为了解决这个问题，该研究提出了BAE分子双边键的协调策略。

作者提出通过掺杂Li₂CO₃来修饰TiOx表面。这种掺杂增加了TiOx的电负性，从而增强了BAE和TiOx之间的键合，同时削弱了BAE和钙钛矿之间的键合。这种键强度的平衡或协调确保了BAE分子保持锚定在TiOx表面，同时避免与钙钛矿过度相互作用。

这种掺杂策略有效地协调了双边键。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)结果证实，Li₂CO₃掺杂使TiOx表面的羟基(-OH)基团和BAE中的氨基(-NH₂)基团之间的相互作用更强。原子力显微镜和SEM进一步表明，这种掺杂对TiOx的整体形貌影响甚微，但成功改善了BAE的粘附性。使用密度泛函理论(DFT)的理论计算支持了这些发现，表明BAE和掺杂TiOx之间的结合能高于BAE和钙钛矿之间的结合能。这种改进的键合平衡阻止了BAE被掺入钙钛矿层，从而解决了之前观察到的性能下降问题。

图 2. Li₂CO₃ 掺杂对 BAE–TiOx 相互作用的影响

图 3. BAE 分子与钙钛矿成分之间的相互作用

【键协调对钙钛矿薄膜和 PSC 的影响】

随着BAE粘合行为的成功协调，研究人员开始评估其对钙钛矿薄膜和PSC性能和稳定性的影响。X射线衍射(XRD)和紫外-可见(UV-vis)光谱证实，TiOx/BAE界面处的结合得到改善，形成了更坚固的薄膜。这些方法表明处理后的薄膜具有更好的结晶性和略微增强的光吸收，这有助于更好的器件性能。

时间分辨光致发光（TRPL）光谱表明埋入界面的载流子动力学显着改善。用Li₂CO₃掺杂的TiOx和BAE处理的PSC表现出更长的载流子寿命，表明更好的载流子提取和减少的非辐射复合。这些增强功能为PSC带来了更高的功率转换效率(PCE)，器件的PCE达到了26.52%，并经过认证，达到了26.31%。此外，空间电荷限制电流（SCLC）测量揭示了较低的陷阱填充极限电压，证实了界面缺陷态的减少。

此外，掺杂策略提高了PSC的运行稳定性。在连续光照和高湿度条件下的测试表明，经过Li₂CO₃和BAE处理的器件可以更长时间地保持其效率，在运行500小时后仍保持其初始性能的91%以上。与控制设备相比，这是一个显着的改进。根据国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）制定的协议，在不同环境条件（包括湿度和热量）下进行的稳定性测试进一步证实了这些结果。

图 4. BAE 的双键协调作用对钙钛矿薄膜、界面和器件的改善

【总结】

本文通过在TiOx ETL中掺杂Li₂CO₃，协调BAE分子的双边键，从而显着提高PSC的性能和稳定性。通过加强BAE和TiOx之间的相互作用并削弱其与钙钛矿的相互作用，研究人员成功阻止了早期实验中观察到的降解。这种方法允许制造PCE超过26.5%的PSC，并提高了在挑战性环境条件下的长期稳定性。

本文提供了一种通过操纵ETL的电子特性来优化PSC中埋入界面的新策略。该策略的成功实施凸显了其提高钙钛矿太阳能电池中其他类型埋入界面性能和稳定性的潜力，为光伏技术领域的进一步创新开辟了途径。该研究的结果为钙钛矿界面分子相互作用的微妙平衡提供了宝贵的见解，这对于开发适合商业化的高效、稳定的PSC至关重要。

【作者简介】

朱瑞，北京大学物理学院现代光学研究所，教授，博士生导师，入选北京大学“博雅青年学者”，获国家基金委“优青”资助（2017年），北京市杰出青年科学基金资助（2021年），国家自然科学基金委杰出青年基金资助（2023年）。

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