論文概覽

鈣鈦礦太陽能電池中的表面鈍化可以提高器件效率，但不完全的界面功能化會影響長期可靠性。本文提出了一種戰略性界面工程方法，使用七氟丁酸鈉完全功能化鈣鈦礦表面。七氟丁酸鈉作為離子屏蔽劑，調節鈣鈦礦表面的功函數，并增加缺陷形成能，從而改善與電子傳輸層的界面，減少復合并增強操作中的電子提取。我們發現，七氟丁酸鈉功能化的鈣鈦礦表面促進了均勻致密的C60層的形成，有效阻止離子擴散并穩定器件堆棧。該方法使得p–i–n結構的鈣鈦礦太陽能電池實現了創紀錄的功率轉換效率(PCE)為27.02%(認證為26.96%，最大功率點跟蹤PCE為26.61%)。在1 cm2的有效面積下，器件的PCE為25.95%。鈣鈦礦太陽能電池在連續1.200小時的1太陽照射下保持了100%的初始效率。器件還表現出卓越的熱穩定性，在85 °C下老化1.800小時后，保持了92%的初始PCE，并在–40 °C至+85 °C之間進行200次熱循環后保持了94%的初始PCE。

技術亮點

【資料圖】

改進的鈣鈦礦表面鈍化：使用七氟丁酸鈉(SHF)有效鈍化了鈣鈦礦表面的缺陷，增強了表面穩定性。SHF處理提高了缺陷形成能，減少了非光活性相，并調節了表面功函數，改善了與電子傳輸層的界面，提升了電荷提取能力。

器件性能提升：SHF處理的鈣鈦礦太陽能電池實現了創紀錄的功率轉換效率(PCE)為27.02%，認證PCE為26.96%。這些器件展現出優越的操作穩定性，在連續1.200小時的1太陽照射下保持了100%的初始效率，并且在85°C下老化1.800小時后，保持了92%的初始PCE，表現出卓越的熱穩定性。

抑制離子遷移：SHF處理顯著減少了離子遷移，防止了器件內部的離子擴散，這對于維持器件穩定性至關重要。通過飛行時間二次離子質譜(ToF-SIMS)數據表明，與對照組相比，SHF處理的器件離子擴散顯著減少，從而增強了它們的長期穩定性。

深度解析

SHF功能化鈣鈦礦表面

為了改善鈣鈦礦的表面電子性能，我們通過DFT計算研究了鈣鈦礦的缺陷特性。計算結果顯示，PbI終止表面的Pb空位比I空位更容易形成，這表明PbI終止表面不穩定，而FAI終止表面較為穩定。為了增強表面穩定性，我們使用七氟丁酸鈉(SHF)對鈣鈦礦表面進行功能化處理。計算表明，SHF的吸附能顯著提高，增強了表面穩定性。SHF分子在鈣鈦礦表面吸附時，Na+和COO?基團產生局部電荷，通過靜電相互作用形成偶極，改變了表面的功函數，驗證了偶極效應。SHF處理增強了鈣鈦礦與電子傳輸層(ETL)之間的界面電場，提高了PSC的內建電勢，從而促進了電荷提取和開路電壓(Voc)的提高。X射線衍射(XRD)和小角度入射X射線散射(GIWAXS)表明，SHF處理有助于鈣鈦礦薄膜的晶體結構穩定性，特別是去除了4H相并改善了表面結構。

界面接觸的結構與光電性能

ESC(電子傳輸層)覆蓋鈣鈦礦表面，其結構受鈣鈦礦層影響，進而影響器件性能。SEM和AFM圖像顯示，SHF處理后的鈣鈦礦表面改善了與ESC的界面接觸。接著，我們研究了C60層厚度對ESC結構和光電性能的影響。SHF處理后的器件中，電子能級對齊明顯改善，二次電子截止區域的坡度減小，表明SHF處理提高了鈣鈦礦表面均勻性，促進了C60的更好沉積。C60層的堆積特性通過AFM研究發現，SHF處理的鈣鈦礦表面上沉積的C60層更致密，而控制組表面有明顯的孔隙。SHF層通過降低表面能，促進了C60的均勻沉積。隨著C60厚度減小到2納米，SHF處理組和控制組之間的差異更加明顯，表明薄C60層與底層鈣鈦礦表面的直接接觸效果。最終，C60形成了一個相互連接的凝聚層。

載流子動力學與光伏性能

通過穩態光致發光(PL)測量，發現SHF處理顯著提高了PL強度，減少了非輻射復合，PL量子產率提高了兩倍以上，證明SHF有效增強了鈍化作用。SHF處理的器件(鈣鈦礦/SHF/C60)保持較高的PL量子產率，表明界面損失減少，光電性能提升。瞬態表面光電壓(trSPV)測量表明，SHF處理的鈣鈦礦表現出負的trSPV信號，電子在ESC側占主導，電荷分離效率提高，電子提取大幅提升。SHF處理的PSCs光電轉換效率(PCE)為27.02%，相比未處理器件(PCE為24.81%)大幅提高。SHF處理的器件具有較高的開路電壓(Voc)1.197 V和填充因子(FF)86.17%，顯示出顯著的性能提升。

器件穩定性

根據ISOS-L-1I協議，SHF處理的器件在連續1200小時的1太陽照射下保持了穩定的功率輸出，沒有PCE下降(圖4a)。相比之下，控制組在800小時后，PCE降至初始值的60%。在85°C下進行的熱穩定性測試顯示，SHF處理的器件在1800小時后保持92%的初始PCE，而對照組僅為52%(圖4b)。在-40°C至85°C之間循環200次后，SHF處理的器件保持94%的初始PCE，遠高于對照組的57%(圖4c)。ToF-SIMS分析顯示，SHF處理的器件比對照組大大減少了I?離子的遷移，阻止了離子擴散至銀電極并形成AgI，從而減緩了降解過程(圖4d、4e、4f)。SHF層通過穩定界面，防止了I?離子的擴散，延長了器件的穩定性(圖4g)。SHF還具有高熱穩定性，分解溫度可達260°C(補充圖48)，證明其在長期使用中的有效性(補充圖49)。

總結與展望

本研究報告了一種高效且穩定的鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)，通過在鈣鈦礦和電子傳輸層(ESC)之間引入全氟化離子屏障，實現了高達27.02%的光電轉換效率(PCE)，認證PCE為26.96%(認證的最大功率點跟蹤PCE為26.61%)。SHF處理提高了缺陷形成能，消除了非光活性相，并調節了鈣鈦礦表面的功函數(WF)，有效減少了鈣鈦礦與C60之間的界面能量偏移。SHF提供的有利表面結構還促進了C60層的生長，形成了更致密的ESC，從而抑制了器件內可移動離子的遷移。在加速老化測試條件下，器件表現出更好的操作穩定性。這些發現為下一代高效率、高穩定性的鈣鈦礦基光電器件開辟了新路徑。

文獻來源

Li, G., Zhang, Z., Agyei-Tuffour, B. et al. Stabilizing high-efficiency perovskite solar cells via strategic interfacial contact engineering. Nat. Photon. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01791-1