侯福华研究员课题组最新CEJ：化学钝化与场效应钝化协同提升倒置宽带隙钙钛矿太阳能电池性能

第一作者：卫佳丽，王昕，吴凯，刘竹友

通讯作者：侯福华*

单位：内蒙古大学

宽带隙钙钛矿太阳电池因其在叠层器件中的应用潜力而成为研究热点，但其性能与稳定性仍受限于界面缺陷以及电荷传输层的能级失配问题。针对这一挑战，本研究提出通过化学钝化与场效应钝化的协同策略实现缺陷的双重调控：化学钝化通过PEAI分子修饰界面缺陷态，抑制非辐射复合；场效应钝化则通过界面偶极子，同时优化能级排列以促进电荷提取。这种协同机制不仅显著降低了缺陷密度，还改善了载流子传输，从而同步提升了器件的开路电压、填充因子和光电转换效率。实验结果表明，经协同钝化处理的器件展现出优异的运行稳定性。该研究提出的化学钝化与场效应钝化协同优化策略，对发展高效稳定叠层光伏器件具有重要指导意义。

基于此，来自内蒙古大学的侯福华研究员课题组，在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Chemical and Field-Effect Passivation Coupling for Performance Enhancement of Inverted Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells”的文章。该文章使用PEAI和MgF_x对钙钛矿上表面进行化学钝化和场效应钝化，二者的协同作用有效改善器件性能并提高了稳定性。

图1. PEAI和MgF_x钝化后器件的J-V曲线。

本文提出了一种结合化学钝化（PEAI）和场效应钝化（MgF_x）的双层钝化策略，显著提升了宽带隙钙钛矿太阳能电池（WB-PSCs）的性能。PEAI通过与过量PbI₂反应形成二维钙钛矿(PEA)₂PbI₄，有效钝化表面缺陷（如卤素空位和A位阳离子空位），同时增强薄膜的疏水性。MgF_x则通过其高电荷密度的F-与未配位的Pb²⁺形成稳定的Pb-F键，填补碘空位，并在界面形成有序排列的偶极子，调控能级对齐，促进载流子分离与传输。实验表明，双钝化策略的协同效应使器件效率从对照组的18.87%提升至20.68%，同时显著降低了。这种协同钝化机制为高性能钙钛矿器件的设计提供了新思路。

图2. 不同钝化条件下钙钛矿薄膜的表征及性能分析，包括SEM、XRD、PL光谱和电学性能测试。

要点二：二维钙钛矿的缺陷钝化与稳定性提升

PEAI钝化层在钙钛矿表面形成二维(PEA)₂PbI₄结构，PEA⁺填补A位阳离子空位。XPS和DFT计算证实，PEA⁺的引入改变了C-N键的电子密度分布，降低了Pb²⁺和I^-的结合能。此外，二维钙钛矿的疏水性显著增强，有效阻隔水分渗透，提升了器件的环境稳定性。XRD和PL光谱显示，PEAI处理后的薄膜中PbI₂峰消失。PLQY提高，表明非辐射复合减少。这种化学钝化不仅改善了薄膜质量，还为后续MgF_x的场效应钝化提供了理想的界面条件。

图3. PEAI和MgF_x的钝化机理研究，包括XPS分析和DFT计算验证。

要点三：MgF_x的场效应钝化与能级调控

MgF_x通过其中MgF⁺在钙钛矿表面形成有序偶极子（偶极矩2.6 Debye），产生内建电场，诱导能带弯曲。KPFM和UPS分析显示，MgF_x钝化使薄膜功函数从4.52 eV降至4.18 eV，减小了钙钛矿与电子传输层（ETL）的能级偏移，从而促进电子提取。XPS表明，F⁻的高电荷密度导致Pb²⁺结合能升高，形成稳定的Pb-F键。这种场效应钝化与PEAI的化学钝化互补，共同优化了界面电荷动力学，使器件的内建电势（Vbi）从0.78 V提升至1.03 V。

图3. KPFM和UPS测试结果，钝化层对表面电势和能级结构的影响。

要点四：界面电荷动力学与性能优化

双钝化策略显著改善了器件的电荷传输性能。SCLC测试显示，双钝化器件的载流子迁移率（μ）最高，陷阱态密度（ntrap）最低。EIS表明，双钝化器件的复合电阻（Rrec）达到503.27 Ω，远高于对照组（318.99 Ω），说明界面缺陷被有效抑制。TPV和TPC分析进一步证实非辐射复合显著减少。此外，暗态J-V曲线显示双钝化器件的漏电流最小，说明界面缺陷减少。

图5. 器件电荷传输特性分析，包括Mott-Schottky曲线、EIS和瞬态光电测试。

要点五：器件稳定性与降解机制

双钝化策略大幅提升了WB-PSCs的长期稳定性。通过阿伦尼乌斯模型分析，双钝化器件的降解活化能（Ea）为52.0 kJ/mol，远高于对照组（26.8 kJ/mol），表明其降解需要克服更高的能垒。在45天的老化测试中，双钝化器件保留了90%的初始效率，而对照组效率显著下降。这种稳定性提升归因于二维钙钛矿的作用、Pb-F键的强稳定性以及MgF_x对界面离子迁移的抑制。

图6. 最优器件的J-V曲线、EQE光谱及稳定性测试结果。

Chemical and Field-Effect Passivation Coupling for Performance Enhancement of Inverted Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells

侯福华研究员简介：2020年博士毕业于南开大学电子科学与技术学院。后入职内蒙古大学，现为物理科学与技术学院研究员。长期从事新型光伏材料与器件和钙钛矿太阳电池的研究和开发。以第一作者和通讯作者在Nano energy，Journal of Energy Chemistry，Chemical Engineering Journal，Applied Physics Letters，ACS Applied Material & Interfaces等国际著名期刊发表论文17篇。主持国家级项目2项，合编专著一部。