研究成果與看點(diǎn)：
研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的雙配體鈍化(Dual-Ligand Passivation, DLP)方法，成功解決了傳統(tǒng) 2D/3D 鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2D鈣鈦礦量子阱寬度分布不均勻 的問(wèn)題。此研究的主要成就包含：
●實(shí)現(xiàn)純相2D鈍化層：利用 MeCZEAI 和 mFPEAI 兩種配體共沉積，精準(zhǔn)控制2D鈣鈦礦的成核與生長(zhǎng)，形成均勻的n=12D相鈍化層，解決了傳統(tǒng)單配體鈍化造成的2D相分布不均的問(wèn)題。
●提升器件效能：采用DLP策略的組件，0.05 cm2 面積的組件效率達(dá)到 25.86%，1 cm2 面積的組件效率達(dá)到 25.08%，同時(shí)展現(xiàn)優(yōu)異的操作穩(wěn)定性 (T90 > 1000 小時(shí))和熱穩(wěn)定性。
●深入理解鈍化機(jī)制：通過(guò)瞬態(tài)吸收光譜 (TA)、X 射線光電子能譜 (XPS) 和 Kelvin 探針顯微鏡 (KPFM) 等多種表征技術(shù)，深入分析了DLP策略如何調(diào)控 表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、均勻化能量分布，并提升電荷傳輸效率的機(jī)制。
●更佳的表面電位分布：DLP處理的鈣鈦礦表面表現(xiàn)出更均勻的電位分布， 電位分布的半高寬 (FWHM) 僅為 68 mV，比單配體處理的 177 mV 顯著降低。此外，DLP處理后的表面電位相較于單配體處理提升了 80 mV。
研究團(tuán)隊(duì)：
本研究由新加坡國(guó)立大學(xué) (National University of Singapore, NUS) 和天津大學(xué) (Tianjin University) 的研究人員共同完成，通訊作者為新加坡國(guó)立大學(xué)侯毅 (Yi Hou)和天津大學(xué)胡文平(Wenping Hu)。
研究背景：
在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)領(lǐng)域，表面鈍化是一種關(guān)鍵策略，用以提升效率和穩(wěn)定性。其中，在鈣鈦礦表面堆棧2D材料，利用其量子局限效應(yīng)，能有效鈍化缺陷并調(diào)整能階排列，是廣泛應(yīng)用的方法。然而，傳統(tǒng)上使用單一有機(jī)配體形成的2D鈣鈦礦鈍化層，常會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：
●量子阱寬度分布不均：不同配體分子尺寸和表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差異，會(huì)導(dǎo)致2D鈣鈦礦形成不同寬度的量子阱，造成能量分布不均，影響器件的光電特性。
●多種2D相的形成：表面反應(yīng)難以控制，容易生成多種不同n值的2D鈣鈦礦，造成額外的缺陷和能量損失。
●不利的能階排列：2D鈍化層可能導(dǎo)致能階錯(cuò)位，阻礙電荷傳輸，降低器件效率。
許多研究已經(jīng)探討如何調(diào)控2D鈣鈦礦的量子阱分布，例如調(diào)整配體類型或添加各種添加劑。然而，對(duì)于n-i-p型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池而言，如何精確控制2D 鈍化層的量子阱分布和n值，仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。
解決方案：
本研究針對(duì)傳統(tǒng)2D鈍化層的缺點(diǎn)，提出了雙配體鈍化(DLP)策略。核心概念是引入兩種不同尺寸和吸附能力的有機(jī)配體，藉由調(diào)控它們?cè)阝}鈦礦表面的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)純相 n=1 的2D鈍化層。具體而言：
●雙配體選擇：
○MeCZEAI (3,6-二甲基咔唑-9-乙基銨碘化物)：具有較大的分子尺寸和較低的吸附能，優(yōu)先吸附在鈣鈦礦表面，可作為反應(yīng)調(diào)節(jié)劑。
○mFPEAI (間氟苯乙基銨碘化物)：較小的分子尺寸，可形成2D鈣鈦礦。
●反應(yīng)機(jī)制：MeCZEAI優(yōu)先吸附在鈣鈦礦表面后，會(huì)調(diào)控mFPEAI 與鈣鈦礦的反應(yīng)，使得 mFPEAI 只能形成 n=1 的2D鈣鈦礦，避免產(chǎn)生多種2D相。
●均勻的能量分布：透過(guò)上述機(jī)制，DLP 策略成功實(shí)現(xiàn)了具有 均勻量子阱寬度分布 的2D鈍化層，進(jìn)而改善了器件的能量分布。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程與步驟：
以下是本研究的實(shí)驗(yàn)流程，包含材料制備、薄膜沉積、鈍化處理等關(guān)鍵步驟：
●材料準(zhǔn)備：
使用 碘化鉛 (PbI2)、碘化銫 (CsI)、碘化甲脒 (FAI) 和 氯化甲胺 (MACl) 等前驅(qū)物制備鈣鈦礦；MeCZEAI 的合成：以 3,6-二甲基-9H-咔唑、氫氧化鈉、2-氯乙胺鹽酸鹽和四丁基硫酸氫銨為原料，經(jīng)由回流、過(guò)濾、濃縮、添加HI和再結(jié)晶等步驟合成；使用mFPEAI作為2D配體；使用Spiro-OMeTAD作為電洞傳輸材料；使用氧化錫 (SnOx)作為電子傳輸材料。
●器件結(jié)構(gòu)：本研究采用 n-i-p 型結(jié)構(gòu)：ITO/SnOx/鈣鈦礦/鈍化層/Spiro-OMeTAD/MoOx/Ag。
●薄膜制備：
1.ITO 玻璃基板清潔：使用清潔劑、丙酮和異丙醇進(jìn)行超音波清洗。
2.SnOx 電子傳輸層沉積：將稀釋的 SnOx 奈米粒子溶液旋涂在基板上，經(jīng)退火和 UVO 處理。
3.鈣鈦礦層沉積：將混合前驅(qū)物溶液旋涂在SnOx層上，并在進(jìn)行氣體淬滅。接著在70°C 熱板上加熱，150°C 環(huán)境中退火。
4.鈍化層處理：
■單配體處理：將 mFPEAI 溶液旋涂在鈣鈦礦表面。
■DLP 處理：將 mFPEAI 和 MeCZEAI 的混合溶液旋涂在鈣鈦礦表面。
5.Spiro-OMeTAD 電洞傳輸層沉積：將摻雜 TBP、Li-TFSI 和 FK209 的 Spiro-OMeTAD 溶液旋涂在鈍化層上。
6.電極沉積：蒸鍍氧化鉬 (MoOx) 和銀 (Ag) 電極。
器件與表征
●電流-電壓 (J-V) 特性曲線：
研究團(tuán)隊(duì)使用Enlitech的太陽(yáng)光模擬器 (SS-PST220R)模擬AM 1.5G太陽(yáng)光照條件進(jìn)行 J-V 曲線量測(cè)。組件展現(xiàn)出更高的 開路電壓 (Voc) 和 填充因子 (FF)，進(jìn)而提升了整體效率。
推薦使用光焱科技Enlitech SS-PST，單氙燈太陽(yáng)光模擬器的光譜可達(dá)到A++級(jí)，高度的匹配AM 1.5G基準(zhǔn)光譜
使用雙配體鈍化 (DLP) 處理的小面積組件 (0.05 cm2)，其 PCE 可以達(dá)到 25.86%，Voc 為 1196 mV，FF 為 83.7%。（圖4c及表S2）
1 cm2 的組件，DLP 處理的效率可達(dá) 25.08%。直接證明了DLP策略在提升組件效率上的優(yōu)勢(shì)。（圖4e）
●瞬態(tài)吸收光譜 (TA)：
分析量子阱分布，單配體 mFPEAI 處理的鈣鈦礦表面，出現(xiàn) n=1 和 n=2 兩種2D鈣鈦礦的特征吸收峰（圖S3），表示存在多種2D相。
圖 1d 顯示單配體 mFPEAI 處理的鈣鈦礦表面的 TA 光譜，圖 1e 顯示 DLP 處理的鈣鈦礦表面的TA光譜。
●外部量子效率 (EQE)：
DLP處理的組件，其積分電流密度(integrated current density)可達(dá) 25.57 mA/cm2。藉由對(duì)EQE曲線進(jìn)行微分，可觀察到797 nm處的波谷，對(duì)應(yīng)的能隙為 1.55 eV，進(jìn)一步驗(yàn)證了DLP策略提升光電轉(zhuǎn)換效率的能力。（圖4d）
推薦使用光焱科技Enlitech QE-R量測(cè)量子效率
●光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (PLQY)：
DLP處理的樣品，其PLQY高達(dá) 12%，遠(yuǎn)高于單配體處理的樣品的 9%，顯示DLP策略能 有效減少非輻射復(fù)合。（圖2d）
推薦使用光焱科技LQ-100X-PL量測(cè)光致發(fā)光PLQY
●時(shí)間解析光致發(fā)光 (TRPL)：測(cè)量載子壽命。DLP 處理的鈣鈦礦薄膜，其平均載子壽命 τave 為 1.77 μs，約為單配體處理的 0.80 μs 的兩倍。減少了陷阱輔助的非輻射復(fù)合以及更均勻的能量分布。（圖2c）
其他表征：
●隱含開路電壓 (iVoc)：從 PLQY 數(shù)據(jù)中，研究團(tuán)隊(duì)得到，在一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度下，DLP 處理的樣品 iVoc 達(dá)到 1229 mV。（圖2b）
●X 射線光電子能譜 (XPS)：分析表面元素化學(xué)狀態(tài)。氟 (F) 的強(qiáng)度明顯高于 單配體處理的表面，表示2D層更富集在鈣鈦礦表面，且有更好的空間局限效應(yīng)。（圖S6）
●原子力顯微鏡 (AFM)：用于測(cè)量表面粗糙度。（圖S8）
●掃描電子顯微鏡 (SEM)：用于觀察表面形貌。（圖S9）
●Kelvin 探針顯微鏡 (KPFM)：用于測(cè)量表面電位。（圖3d、3e 和 3f）
●紫外光電子能譜 (UPS)：測(cè)量鈣鈦礦的價(jià)帶能階。（圖3a、3b）
●空間電荷限制電流 (SCLC)：用于計(jì)算陷阱密度和載子遷移率。（圖S10a）
●瞬態(tài)光電壓 (TPV) 和瞬態(tài)光電流 (TPC)：用于分析電荷復(fù)合和電荷傳輸 動(dòng)力學(xué)。（圖S13）
推薦使用光焱科技Enlitech TPCV 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池瞬態(tài)光電流光電壓測(cè)試儀
●掠入射 X 射線繞射 (GIXRD)：用于分析晶體結(jié)構(gòu)。（圖S7）
●核磁共振儀HNMR：分析分子結(jié)構(gòu)。（圖S1和S2）
總結(jié)：
本研究成功開發(fā)了一種雙配體鈍化 (DLP) 策略，有效地調(diào)控了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中2D鈍化層的量子阱分布，解決了傳統(tǒng)2D鈍化層的缺陷，并提升了器件的性能和穩(wěn)定性。以下是本研究的主要成果：
l 提升組件效率：使用DLP策略的 0.05 cm2 組件，最高功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 可達(dá) 25.86%，開路電壓 (Voc) 為 1196 mV，填充因子 (FF) 為 83.7%18。 此外，1 cm2 的組件，PCE 仍可達(dá)到 25.08%。
l 改善界面特性：DLP 處理的鈣鈦礦表面，具有更均勻的表面電位分布，且界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度也獲得提升，有助于載子分離和收集。
l 提高組件穩(wěn)定性：
1. 經(jīng)過(guò) 1000 小時(shí)的最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT) 測(cè)試，DLP 處理的組件仍保持初始效率的 93%，展現(xiàn)了優(yōu)異的長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性。
在 85°C 的加熱測(cè)試下，DLP 處理的組件在 300 小時(shí)后仍保持初始效率的 82%，顯示了良好的熱穩(wěn)定性。
文獻(xiàn)參考自Journal of the American Chemical Society_DOI: 10.1021/jacs.4c14473
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