西北工业大学王昆、佟宇、王洪强Nano Letters：协同界面工程提升锡基钙钛矿太阳能电池性能

第一作者：杨锋

通讯作者：王昆*，佟宇*，王洪强*

单位：西北工业大学

锡基钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其低毒性和优异的光电性能成为替代铅基电池的理想候选，但锡基钙钛矿与电子传输层（ETL）之间的界面电荷传输问题不利于器件性能。由于锡基钙钛矿较差的化学和环境稳定性，铅基钙钛矿常用的界面处理方法可能导致锡基钙钛矿薄膜表面损伤，因此开发合理的界面优化策略对提升器件性能至关重要。

基于此，西北工业大学王昆、佟宇、王洪强等人在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Synergistic Interfacial Dipole and π-Conjugation Effects Enable Efficient Tin Perovskite Solar Cells”的文章。该文章通过采用哌嗪二氢碘酸盐（PDI）和二茂铁（Fc）协同优化了锡基钙钛矿/ETL界面：PDI不仅稳定化学结构并钝化缺陷，也能够通过与甲脒离子（FA⁺）的相互作用形成表面偶极；Fc则通过与C₆₀形成π-π堆叠促进电子传输。此外上述协同界面修饰策略调控了能级排列，进一步降低界面能量损失。最终，锡基PSCs的光电转换效率从10.62%显著增加至13.65%，同时器件稳定性也大幅提升。

图1. 界面分子与钙钛矿和C₆₀的相互作用

要点一：PDI/Fc界面分子与锡基钙钛矿/C₆₀作用机制

本研究通过在钙钛矿/C₆₀界面依次引入PDI和Fc分子，系统探究了二者的协同作用机制。PDI分子通过哌嗪环富电子氮原子与FA⁺形成强供体-受体相互作用，同时配位未饱和Sn²⁺位点，实现界面偶极子诱导与缺陷钝化的双重功能；Fc分子则凭借其独特的电子云分布特性，作为π电子供体与C₆₀形成π-π共轭作用，显著改善界面接触特性与电子传输能力。这种分子级界面协同调控策略有效优化了锡基钙钛矿/C₆₀界面的电荷提取与传输动力学过程，为提升锡基PSCs光电转换效率提供了新途径。

图2. 钙钛矿薄膜的质量和能带结构

要点二：PDI/Fc协同界面处理改善钙钛矿薄膜质量与能级排列

采用原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）对钙钛矿薄膜进行表面表征，结果表明界面修饰显著降低了薄膜表面粗糙度，优化了钙钛矿与C₆₀的界面接触特性，有效提升了电子提取效率。KPFM测试证实修饰后样品接触电势差（CPD）明显增大，表明功函数（WF）降低且表面呈现更强的n型特性，同时电势分布均匀性显著改善，证实了界面能量无序度和深能级缺陷的减少，为电荷传输提供了更优的界面环境。结合紫外光电子能谱（UPS）和紫外吸收光谱分析（带隙1.44 eV），双分子协同修饰策略成功调控了钙钛矿与C₆₀的能级匹配，显著降低了界面能量损失，实现了更高效的电子传输过程。

图3. 界面处理促进缺陷钝化和电荷提取

要点三：PDI/Fc协同界面处理促进锡基钙钛矿缺陷钝化与电子传输

荧光测试结果表明，经PDI和Fc双分子协同修饰的样品展现出最强PL，且空间分布最为均匀。TRPL分析揭示，协同处理使载流子平均寿命从对照组的41.63 ns大幅提升至71.62 ns，证实了双分子体系对界面非辐射复合过程的有效抑制。进一步的界面电荷传输分析表明，Fc分子通过π-π堆积作用显著促进了电子向C₆₀层的初始转移过程，而PDI分子则主要通过缺陷钝化降低了界面复合概率。荧光量子产率测试数据显示，协同处理使薄膜本征PLQY提升近一倍（3.2%→6.2%），结合C₆₀覆盖层的界面PLQY分析，证实该策略可显著降低电压损失。

图4. 界面处理促进锡基钙钛矿太阳能电池效率提升

要点四：PDI/Fc协同处理提升锡基钙钛矿太阳能电池效率

本研究通过构建p-i-n结构的PDI/Fc协同修饰锡基PSCs，实现了器件性能的全面提升。光电性能测试表明，相较于对照组10.62%的光电转换效率（VOC=0.616 V，JSC=23.45 mA cm^-2，FF=73.49%），目标器件效率显著提升至13.65%（VOC=0.766 V，JSC =23.97 mA cm^-2，FF=74.37%），并在最大功率点跟踪测试中展现出13.31%的稳定输出效率，其外量子效率谱积分电流与J-V测试结果高度吻合。

深入的表征分析揭示了性能提升的物理机制：1）1.07的理想因子证实载流子复合被有效抑制；2）空间电荷限制电流测试表明陷阱态密度显著降低；3）电化学阻抗谱证实界面复合电阻明显增大；4）莫特-肖特基测试显示内置电势从0.46 V提升至0.54 V。稳定性测试结果表明，经PDI/Fc协同修饰的器件展现出优异的长期稳定性：氮气环境中储存65天后效率保持率达92%，连续光照300小时后仍维持82%的初始效率，各项稳定性指标均显著优于对照组。这些实验结果充分验证了PDI/Fc双分子界面修饰策略在同时提升锡基PSCs光电转换效率和运行稳定性方面的独特优势。

本研究报道了一种有效的界面工程方法来提高锡基PSCs的性能。在钙钛矿表面引入PDI，通过PD⁺和FA⁺离子之间的相互作用形成界面偶极子。同时，Fc分子与C₆₀建立π-π堆积。这些效应协同促进了界面电子从钙钛矿到ETL的传输，并减少了界面能量损失。因此，锡基PSCs的效率从10.62%大幅提高到13.65%，器件稳定性也得到了显著提高。这项工作强调了界面优化对于实现高效锡基PSCs的重要性，这将有助于推进其未来实际应用。

Synergistic Interfacial Dipole and π-Conjugation Effects Enable Efficient Tin Perovskite Solar Cells

王昆：西北工业大学微电子学院副教授，欧盟玛丽居里学者，江苏省双创博士。2019年获德国慕尼黑工业大学博士学位，同年加入西北工业大学。主要从事主要研究方向为光电转换材料与器件，包括太阳能电池、光探测器、发光器件等，以及使用先进散射方法分析材料的微观结构。承担国家自然科学基金、省部级、企业横向等项目。在Angewande Chemie、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Photonics、Nano Letters等知名期刊发表论文50余篇。