上海交通大学，Nature！

纳米人 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-09-29 09:02

正文

解决的关键科学问题和主要研究内容

1. 开发了全面修复钙钛矿薄膜缺陷的策略，发现使用有机胺能够将杂质相变成2D钙钛矿；

2. 研究2D/3D钙钛矿结构改善电池效率和稳定性的机理；

3. 发现这种2D钙钛矿修复策略能够适用于构筑大面积钙钛矿太阳能电池。

作者介绍

缪炎峰，2014年和2019年分别毕业于南京工业大学获得学士和博士学位。2019年至2021年，在上海交通大学进行博士后研究。2022年1月至2023年12月，上海交通大学环境科学与工程学院，助理研究员。2024年1月至今，上海交通大学环境科学与工程学院，副研究员。

欧阳楚英，溥渊未来技术学院教授，江西师范大学首席教授，宁德时代21世纪实验室常务副主任，江西省“十二五”规划重点学科带头人，江西省“赣鄱英才 555 工程”领军人才（2011）。2005年于中国科学院物理所获博士学位。2005至2008年间于瑞士联邦工学院从事博士后研究。

赵一新，国家杰青，上海交通大学青年教师联谊会秘书长，上海交通大学科研院副院长。本科硕士毕业于上海交通大学，2010毕业于Case Western Reserve University获PhD学位。2010-2013在美国Penn State University和National Renewable Energy Laboratory进行博士后研究。先后获得国家青年特聘专家，教育部霍英东青年基金，上海市曙光人才，上海市优秀青年学术带头人，国家杰出青年科学基金，青山科技奖，现任中国化学会能源化学专委会委员。

制约钙钛矿光伏器件规模化发展的一个主要原因是器件面积增加导致效率显著衰减，这个问题通常是因为不均匀分布的缺陷位点。FAPbI₃窄带钙钛矿具有本征的PbI₂缺陷和非钙钛矿晶相（δ-FAPbI₃），导致非辐射复合，降低电荷转移和电荷提取。

有鉴于此，上海交通大学赵一新教授、缪炎峰副研究员、上海交通大学/江西师范大学/宁德时代21C创新实验室欧阳楚英教授等报道发展了一种缺陷愈合界面工程策略，解决了面积较小以及大面积模组钙钛矿太阳能电池存在的问题。上海交通大学环境科学与工程学院博士生王海飞、交大与宁德时代校企联培博士生苏硕剑和陈悦天副教授为该论文的共同第一作者。

在构筑2D钙钛矿的过程中，使用功能性2-(1-环己烯基)乙铵阳离子，得到的2D钙钛矿具有最高的载流子迁移率，将这种2D钙钛矿覆盖在FAPbI₃表面，而且2D钙钛矿向下渗入3D钙钛矿层的晶界，消除钙钛矿的缺陷，提供输送载流子通道。构筑的FAPbI₃小面积太阳能电池（0.085cm²）实现了25.86%的效率，填充因子达到86.16%。构筑面积为715.1cm²的大面积钙钛矿太阳能电池模组，实现了破纪录的22.46%的效率，填充因子达到81.21%。这种操作简单方便的界面缺陷修复策略表现了非常好的效果，有可能促进大面积光伏太阳能电池的发展。

缺陷修复钙钛矿薄膜

图1. 2D钙钛矿修复α-FAPbI₃钙钛矿策略

通过GIWAXS表征发现新制的FAPbI₃薄膜含有PbI₂缺陷和δ-FaPbI₃晶相，这些缺陷影响钙钛矿太阳能电池的效率和工作稳定性。通过CHEAI（环己烯乙胺）处理，对应于杂质PbI₂和δ-FAPbI₃的GIWAXS信号消失，说明CHEAI处理能够消除这些杂质，同时GIWAXS出现q≈3.7nm^-1的新信号，说明消失的杂质转化为低维钙钛矿。

通过合成CHEA⁺的低维钙钛矿单晶，进行XRD分析发现形成了层状2D结构，化学式为CHEA₂PbI₄。而且验证CHEAI处理能够将杂质转化为2D结构CHEA₂PbI₄。另外，CHEA₂PbI₄比常见的PEA₂PbI₄或者OA₂PbI₄具有更高的空穴迁移率，这是因为CHEA⁺阳离子处于更高的能量。根据荧光和量子产率结果同样发现CHEA₂PbI₄具有更好的光电性质。研究结果说明CHEA₂PbI₄能够克服载流子传输的局限，得到高效率的2D/3D钙钛矿电池。控制实验同样发现，PEAI或者OAI无法有效的将杂质晶相转变为稳定2D钙钛矿晶相。

2D钙钛矿表征。通过ToF-SIMS表征研究2DCHEA₂PbI₄的分布，结果发现CHEA⁺从薄膜的顶部向下部具有梯度分布，因此说明CHEA⁺在晶界含有分布。SEM和AFM成像表征确认了CHEA⁺能够修复晶界或者针孔，横截面HR-STEM成像表征发现2D CHEA₂PbI₄不仅覆盖在α-FAPbI₃薄膜表面，而且渗入晶界，因此实现了全面的杂质修复。GIWAXS测试验证了2D钙钛矿具有面内取向以及面外取向，GIWAXS测试结果与ToF-SIMS和HR-STEM结果相符。

钙钛矿薄膜表征

图2. CHEAI/IPA修复钙钛矿薄膜

制备了CHEAI/IPA修复的钙钛矿薄膜，随后通过荧光成像（PL mapping）表征晶界分布。同时，还测试PEAI处理的钙钛矿薄膜，比较CHEAI和PEAI对钙钛矿钝化作用的区别。CHEAI处理的钙钛矿薄膜具有更高的荧光强度，比未处理或者PEAI处理的钙钛矿薄膜相比更加均匀。稳态荧光光谱表征（PL）说明CHEAI处理的薄膜具有比PEAI处理更强的荧光。通过Urbach能量（Urbach energy）测试发现CHEAI处理的钙钛矿薄膜的Urbach能量（E_u）（48meV）比没有处理薄膜（65 meV）或者PEAI处理薄膜（56meV）更低，说明CHEAI处理的薄膜的能量无序性减少。通过空间电荷限制电流（SCLC，space-charge-limited-current）说明CHEAI处理的薄膜具有更低的缺陷浓度（2.17×10¹⁵cm^-3），未处理的薄膜缺陷浓度（4.56×10¹⁵cm^-3）和PEAI处理的薄膜缺陷浓度（3.90×10¹⁵cm^-3）都更高。时间分辨荧光光谱表征说明平均淬灭时间达到903 ns，比未处理薄膜的淬灭时间更久（119ns），比PEAI处理薄膜的淬灭时间更久（778ns）。淬灭时间更久说明，CHEAI处理能够降低载流子的非辐射复合，而且能够改善钙钛矿薄膜的稳定性。PEAI处理的薄膜能够在湿度60 %和20 ℃大气气氛中保存25天，对比的未曾处理薄膜只能保存15天，PEAI处理薄膜能够保存25天。

载流子输送性能。构筑FTO/TiO₂/SnO₂/perovskite/Spiro-OMeTAD结构的“准钙钛矿太阳能电池”器件，导电性AFM测试结果说明处理后的钙钛矿薄膜具有更高的电流和更加均匀的电流分布，说明电荷抽取更好，这对于大面积钙钛矿太阳能电池和提高填充因子非常重要。作者进一步计算电荷抽取寿命，发现具有更陡峭和更高的平台，验证CHEAI处理的钙钛矿薄膜实现了更有效的载流子迁移速度和抽取。通过UPS测试能级结构，与比未处理钙钛矿薄膜或者PEAI、OAI处理薄膜相比，CHEAI处理薄膜具有更高的价带能级位置。

器件性能

图3. 器件性能

电池效率测试。CHEAI处理的钙钛矿电池器件最高的效率达到25.86%，填充因子和开路电压都得到增强，填充因子达到86.16%，开路电压达到1.16V。填充因子改善是CHEAI处理能够降低非辐射复合损失，降低电荷输运过程的损失。

稳定性测试。湿热稳定性测试（Damp-heat stability test）。在85℃和85%湿度测试钙钛矿电池的稳定性，500 h后器件的性能能够维持~80%，没有处理的器件性能降至~49%。在最高功率点（MPP, maximum power point）测试，发现1500h连续测试后，性能仍高达~92%，未处理钙钛矿电池器件的性能降至~76%。稳定性测试结果说明2D钙钛矿能够改善钙钛矿电池的稳定性。

图4. 大面积钙钛矿电池性能

大面积电池性能测试。制备了面积30×30cm²的模组（面积达到715.1cm²），电池性能达到22.80%，填充因子达到82.68%，电池的认证效率达到22.46%，说明CHEAI在大面积钙钛矿电池中的应用前景。而且通过存储稳定性测试（ISOS-D-1I）、未封装电池的热稳定性测试（ISOS-D2I）、湿度稳定性测试（ISOS-D-2），都说明CHEAI处理能够改善电池的稳定性。

参考文献及原文链接

Wang, H., Su, S., Chen, Y. et al. Impurity-healing interface engineering for efficient perovskite submodules. Nature (2024).

DOI: 10.1038/s41586-024-08073-w

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08073-w

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