吉林师范大学刘惠莲教授、范琳副教授、杨丽丽教授，Chem. Eng. J.：供体-受体分子钝化钙钛矿带电缺陷减少电池开压亏损

第一作者：于淼

通讯作者：刘惠莲*，范琳**，杨丽丽***

单位：吉林师范大学

采用低温溶液法制备的高效n-i-p平面钙钛矿太阳电池（PSCs）已在柔性、叠层等光伏（PV）器件中显示出优异的商业潜力。然而，由多晶钙钛矿晶界（GBs）和表面带电缺陷引起的非辐射复合，以及钙钛矿/电荷输运层（CTLs）界面电荷复合，仍然是阻碍PSCs效率和稳定性进一步提升的关键问题。据报道，这些带电缺陷会在光照或电场下迁移至界面，造成界面离子积累和相分离，这不仅加速了钙钛矿降解，还导致器件开路电压（V_OC）和填充因子（FF）的严重降低。因此，近年来，各国研究学者开发利用各种策略以钝化带电缺陷。在各种钝化材料中，具有可调化学配体、优异电子离域特性、高效分子间电荷转移能力和良好化学/环境稳定性的供体-受体（D-A）分子被公认是改善钙钛矿质量（包括：提高结晶度、降低缺陷态密度、增大晶粒尺寸、优化界面接触等）及电学性能（如，表面能、能带排列、界面电场、载流子动力学等）的理想钝化材料。因此，根据电池PV性能实际需求，进一步探究合适的D-A分子钝化剂和创新技术，对大幅提高钙钛矿基PV器件效率及商业转化具有重要研究意义。

基于此，来自吉林师范大学的刘惠莲教授、范琳副教授、杨丽丽教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Charged defect management for high-efficiency planar solar cells: Reducing charge recombination and open-circuit voltage loss by employing donor-acceptor molecules to regulate perovskite electronic properties”的文章。

作者们提出利用“控制结晶与电子钝化（CCEP）”策略在Ostwald熟化过程中将7-氨基-4-三氟甲基香豆素（C151）分子引入钙钛矿GBs和表面，构建出一种新型高质量PVK-C151吸收层及太阳电池。结合理论模拟与先进测试表征，研究C151钝化效应对钙钛矿表面能量学、能带结构、界面电场、电荷动力学及电池PV性能的协同机制，阐明PVK-C151结晶与钝化原理。文章中指出，C151的吸电子基团钝化了负电荷缺陷，促进了电子由钙钛矿向C151的转移，从而诱导PVK-C151表面p型掺杂，有效驱动了能带对准，加速了界面空穴选择性提取/传输，最终改善了电池PV性能和滞后。此外，锚定在GBs和表面的C151分子作为每个晶粒的“保护罩”，有效阻隔了外部环境的侵蚀，抑制了钙钛矿降解产物（或/和未配位离子）与Ag电极的层间扩散，显著提高了PVK-C151晶体质量和电池稳定性。最终，获得了效率为25.14%、无滞后的C151改性PSC（0.09 cm²）。未封装器件在干燥的空气环境中老化1000 h和最大功率点电压光照100 s后，仍能保持初始效率的88%和99%。本工作提出的低温（≤ 150 ℃）技术为开发更高效、更稳定的钙钛矿PV产品提供了有益指导，并为推动PSCs突破Shockley-Queisser极限奠定了基础。

采用CCEP技术，在Ostwald熟化过程中将C151分子引入钙钛矿GBs和表面，制备出新型PVK-C151吸收层。结合DFT理论计算、XPS、FTIR与¹H NMR测试，推论得到：在Ostwald熟化过程的结晶-退火阶段，C151供体基团（C=O）与未配位阳离子（Pb²⁺、MA⁺和FA⁺）发生较强的相互作用而有效钝化了深能级缺陷；同时，C151受体基团（-CF₃和-NH₂）与I^- 缺陷发生强配位而促进光生电子从钙钛矿转移到C151分子，从而诱导PVK-C151表面p型掺杂。在此过程中，C151被锚定在钙钛矿GBs和表面，有效延缓了结晶速率，最终生长成为大晶粒、低缺陷态密度、有序GBs分布的高晶度PVK-C151，有效提高了光生电荷的提取/转移效率。此外，C151分子作为每个晶粒的“保护罩”，防止了钙钛矿降解及降解产物（或未配位离子）的层间扩散，进一步提高了电池PV性能和稳定性。

图1. C151改性钙钛矿构建及微观作用机理分析。

图2. PVK-C151结晶动力学、带电缺陷钝化效应与防降解能力的协同关系。

要点二：C151钝化带电缺陷改善钙钛矿相关电学性能

KPFM、CPD、UPS和XPS等结果表明，C151受体基团（-CF₃和-NH₂）通过钝化负电荷缺陷，促进了钙钛矿表面电子迁移，成功诱导了PVK-C151表面P型掺杂，有效驱动了能带对准，大幅提高了界面空穴的选择性提取/转移效率，对提升器件PV性能与降低滞后做出了积极贡献。

图3. C151带电缺陷钝化效应对钙钛矿表面能，能级排列和界面电场的协同调控。

要点三：C151增强电荷传输动力学与电池PV性能

C151的引入有效增强了PVK-C151电池的内置电位（V_bi），加速了界面空穴的提取/转移，显著提升了器件PV性能，特别是V_OC和FF。最终，基于C151 = 1.4 mg/mL的改性钙钛矿电池（0.09 cm²）显示出最佳的PV性能，其效率达到25.14 %，V_OC为1.20 V，短路电流密度（J_SC）为25.40 mA/cm，FF为82.64 %。更重要的是，该电池的滞后几乎可以忽略。

图4. C151增强载流子传输动力学及电池PV性能。

要点四：PVK-C151耐湿热性及电池良好稳定性

得益于C151钝化带电缺陷所引起的各积极因素的协同贡献，PVK-C151膜在湿热老化40 h后仍显示出优异的耐高湿热性和抗潮解能力。此外，未封装的PVK-C151电池在空气环境中老化1000 h以及在最大功率点电压下光照100 s后，仍保持了约88%和99%的初始效率。

图5. C151改善钙钛矿耐湿热性及电池稳定性。

Charged defect management for high-efficiency planar solar cells: Reducing charge recombination and open-circuit voltage loss by employing donor-acceptor molecules to regulate perovskite electronic properties

刘惠莲教授简介：吉林师范大学三级教授，博士生导师。功能材料物理与化学教育部重点实验室主任，国家一流课程负责人，吉林省教学名师，吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才。主持省部级项目8项，在ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Colloid Interf. Sci., J. Power Sources等期刊发表SCI论文64篇，在科学出版社出版教材2部。

于淼，吉林师范大学物理学院，2022级，硕士研究生。研究方向：钙钛矿太阳电池。获专业奖学金2次。参与省部级项目3项。分别在Chem. Eng. J.、Sol. RRL等期刊发表SCI论文。申请发明专利1项。参与国内外学术会议2次。

“新型光伏材料与器件创新团队”依托吉林师范大学物理学院功能材料物理与化学教育部重点实验室（位于吉林师范大学长春创意产业园区，建筑面积8800余平方米），围绕新型高效、稳定太阳电池在基础研究和规模化应用中面临的关键问题展开研究，重点开发环境友好型高效低成本钙钛矿太阳电池的制备技术。目前，实验室仪器设备总价值达1.45 亿元，拥有多台大型国内外先进仪器设备及其它设备，包括XRD、TEM、SEM、XPS、PL、Raman、太阳能I-V测试系统、太阳能电池内外量子效率测试系统、电化学工作站等大型测试设备，同时也拥有热蒸发、磁控溅射、手套箱、箱式炉等一系列光伏材料合成及电池制作仪器，是吉林省内硬件设施较为完善的研发中心。创新团队成员成功承担、参与或完成多项国家级和省部级科研项目，包括国家863计划项目，国家重点支持计划项目，国家自然科学基金项目等。

吉林师范大学物理学院功能材料物理与化学教育部重点实验室“新型光伏材料与器件创新团队”诚招钙钛矿太阳电池研究方向的硕士生和博士生。有意向请联系团队教师范老师（fanlin@jlnu.edu.cn）。