河北师范大学新发Angew. Chem. Int. Ed论文 武明星教授：多动能添加剂AMPA钝化钙钛矿太阳能电池缺陷

第一作者：高玉婕

通讯作者：武明星*

单位：河北师范大学

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的能量转换效率已从最初的3.8%提升至27.0%，这一突破的关键在于二氧化锡（SnO₂）作为高效电子传输层的应用。然而，基于SnO₂的PSCs仍存在众多急需解决的问题。比如SnO₂电子传输层的缺陷、表面Sn和O基团会影响其光学与电学性能，不利于载流子的分离和传输。钙钛矿薄膜缺陷也是导致载流子复合的主要因素。因此，开发高效的缺陷钝化策略是提升PSCs性能的关键。

基于此，河北师范大学武明星教授课题组提出了一种有机小分子膦酸（AMPA）作为SnO₂溶胶添加剂有效修饰了SnO₂电子传输层、钙钛矿层以及SnO₂/钙钛矿界面。研究成果以“Aminomethyl Phosphonic Acid as Highly Effective Multifunctional Additive for Modification of Electron Transport Layer and Perovskite in Photovoltaic Solar Cells”为题，发表在化学类旗舰期刊Angewandte Chemie International Edition。

研究发现AMPA修饰前后SnO₂电子传输层的晶体结构没发生变化，但特征峰强度增强。因为引入的APMA能均匀融到SnO₂溶胶中，抑制了SnO₂纳米颗粒的团聚，进而提高了SnO₂层的结晶度，降低了缺陷。AMPA修饰后，O 1s结合能峰向高能方向移动，表明AMPA与SnO₂之间存在强化学相互作用，证明O-Sn⁴⁺的形成，有效钝化了O缺陷。霍尔效应测试观察到载流子浓度从1.18×109 cm^-3提升到3.70×109 cm^-3，这一结果证实了AMPA修饰能显著提高SnO₂的电子传输能力。此外，AMPA修饰可有效提升SnO₂薄膜的疏水性，不但增强了其与钙钛矿层的兼容性，也有利于器件稳定性的提升。研究标明AMPA修饰可有效调控SnO₂的价带低（VBM）和导带顶的能级位置，使器件形成了更合理的能级梯度，有利与载流子的抽取。理论计算表明SnO₂的费米能级（EF）为-4.66 eV, AMPA修饰后上升到-4.32 eV，这通常有利于载流子的提取和转移，从而抑制了电荷复合。

要点二：AMPA修饰对钙钛矿层的影响

研究发现AMPA修饰能显著提升钙钛矿薄膜的表面电势，不仅促进了电子与空穴的有效分离，还强化了载流子在薄膜内部的定向迁移能力。此外，AMPA修饰可以促进钙钛矿的结晶，形成较大的晶粒，有效减少了晶界缺陷。AMPA修饰后，Pb 4f 5/2和Pb 4f7/2结合能峰向高能方向移动。而未修饰的SnO₂可在141.84 eV和137.02 eV处发现两个弱峰，对应金属Pb（Pb⁰）。AMPA修饰后Pb⁰峰明显减弱。AMPA修饰后，观察到I 3d 5/2的结合能从630.76eV负移到630.70eV，这意味着AMPA钝化有效抑制了I^-迁移，最终实现了基于Pb²⁺和I^-缺陷的双重钝化。同样，AMPA修饰也可有效提升钙钛矿薄膜的疏水性，有利于提升器件的稳定性。

要点三：AMPA修饰对电池性能以及电荷载流子输运动力学的影响

AMPA修饰后，器件的Jsc、Voc和FF均有所增加，效率从19.91%（反向）、20.96%（正向）提升至22.87%（反向）24.22%（正向）。同时AMPA修饰后器件的均一性也得到明显改善。Jsc和Voc随入射光强的变化情况、电化学阻抗、荧光光谱等表征也证实了AMPA对钙钛矿表面缺陷态具有实质性的钝化作用，可以有效抑制载流子复合。此外，未封装的AMPA修饰的PSCs在空气氛围中（RH 10%）放置720 h后，仍能保持初始效率的94.9%。

结论

研究表明AMPA修饰降低了电子传输层氧空位缺陷并提高了SnO₂的结晶度和载流子传输能力，有效抑制了载流子复合。此外，AMPA修饰优化了电子传输能和钙钛矿层的能级匹配性，提高了SnO₂/钙钛矿界面载流子抽取效率。SnO₂表面的AMPA基团能有诱导钙钛矿结晶为大颗粒，有效降低了钙钛矿晶界缺陷，同时提高了其疏水能力。研究成果为开发简单、高效、普适的多功能钝化材料提供了一条可行的途径。

武明星简介： 教授、博士生导师、河北省杰出人才（高端人才）、省管优秀专家。河北省无机纳米材料重点实验室主任、《eScience》青年编委、中国化学会高级会员。主要开展高性能太阳能电池、电催化、等方面的研究工作，特别是对电极材料的形成机理、合成方法、电极材料的微观结构与器件性质的构-效关系等科学问题进行了深入的研究。近年在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Nano Energy等期刊发表学术论文100余篇。