文 章 信 息
巯基乙酸乙酯辅助多功能表面调制助力高效稳定的反式钙钛矿太阳能电池
第一作者：王宇
通讯作者：宋嘉兴*，李在房*，严文生*
特别感谢：瑞典林雪平大学王锋教授及高峰教授
研 究 背 景
近些年，单结有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转化效率（PCE）已突破26%，然而，距离其理论预测PCE值仍存在提升空间。多晶钙钛矿（PVK）材料较低的结晶势垒，有利于PVK薄膜制备工艺的多样性，但在薄膜加工和生长过程中，不可避免地导致PVK本体以及表面和晶界处产生大量缺陷，进而影响最终器件的PCE及稳定性。因此， 制备具有大尺寸晶粒、更低晶界和缺陷密度的高质量PVK薄膜至关重要。目前，通过界面修饰策略调控PVK表面缺陷而获得器件性能提升的研究被广泛报道， 然而，在表面后处理的基础上，通过一种钝化分子同时实现PVK的结晶调制和缺陷钝化仍然是一个巨大的挑战。
此外，在器件运行过程中PVK容易产生PbI2和I2的分解产物，这会进一步诱导器件功能层的老化及对环境产生威胁。例如：产生的具有腐蚀性的I2会加剧电极损伤；PbI2会为PVK分解提供额外的通道并对环境产生不利影响。因此，通过后处理对界面处的I2和PbI2进行有效管理，与获得低缺陷、高结晶度PVK薄膜一样，对于提高PSCs的性能至关重要。
文 章 简 介
近日，来嘉兴大学的宋嘉兴博士和李在房教授与杭州电子科技大学的严文生教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Ethyl Thioglycolate Assisted Multifunctional Surface Modulation for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells”的研究论文。该工作通过使用巯基乙酸乙酯（ET）作为PVK薄膜后处理工艺中的功能性分子，成功地实现了对反式PSCs的PCE的提升；同时，也展示出优异的对I2及PbI2的捕获能力，进而有助于器件稳定性及对环境友好性的改善。经ET处理后，PVK薄膜实现了晶粒的二次生长，薄膜晶粒尺寸、结晶度及吸光能力均得到显著增强；同时，ET分子中的巯基和羰基官能团的存在实现了对PVK表面缺陷的双齿锚定（即，更有效的钝化能力）；此外，由于能级排列得到改善，PVK/ET/C60界面表现出更好的电荷转移。最终，基于FA0.85Cs0.15Pb(I0.95Br0.05)3和FA0.9MA0.05Cs0.05Pb(I0.95Br0.05)3活性层制备的反式PSCs的PCE分别达到22.42%和23.56%（经认证为 23.29%），且有效面积为1.03 cm2的反式PSCs（PVK为FA0.85Cs0.15Pb(I0.95Br0.05)3）效率突破20%。
图1. ET处理PVK薄膜工艺示意图。
本 文 要 点
要点一：ET表面处理诱导PVK薄膜晶粒的二次生长
将ET溶解在异丙醇中旋涂在PVK表面并进行热退火处理后，能够实现PVK晶粒的二次生长，获得具有更大晶粒尺寸、更致密晶粒堆积和更高结晶性的PVK薄膜。理论计算结果可知，ET处理后PVK晶粒的（100）及（111）晶面表面能显著降低，而且表面能各向异性增大，为诱导ET处理PVK薄膜的二次晶粒生长提供驱动力。
图1. ET处理前后PVK薄膜形貌及表面能改变。
要点二：ET处理后界面能级的改善及PVK薄膜性质变化
ET处理后的PVK具有与C60更匹配的界面能级，从而能够加速界面电荷的传输。同时，晶粒二次生长后的PVK薄膜的残余应力得到显著释放，且拥有更低的缺陷。稳态荧光（PL）更低的强度和瞬态荧光光谱（TrPL）更快的荧光衰减表明ET处理后的PVK/C60界面存在更有效的电荷转移；瞬态吸收光谱（TAS）揭示PVK/ET薄膜更低的基态漂白信号淬灭速率，表明抑制的非辐射电荷复合。
图2. ET处理前后PVK薄膜能级调控及载流子传输动力学。
要点三：ET处理实现对PVK表面Pb2+缺陷的双齿锚定
ET分子中的巯基和羰基均可以和PVK表面的Pb2+结合；同时，理论计算表明，相较于羰基，巯基则展现出更强的结合能力，进而实现了ET分子对PVK表面缺陷的双齿锚定。ET与PVK中Pb2+之间的强相互作用分别通过差分电荷密度计算、XPS、1H-NMR、拉曼光谱得到验证。
图3. ET中巯基和羰基官能团与PbI2的结合方式。
要点四：ET处理后改善反式PSCs的光伏性能
基于ET处理策略， 活性层为FA0.85Cs0.15Pb(I0.95Br0.05)3和FA0.9MA0.05Cs0.05Pb(I0.95Br0.05)3制备的反式PSCs的PCE分别达到22.42%和23.56%（经认证为 23.29%），且有效面积为1.03 cm2的反式PSCs（活性层为FA0.85Cs0.15Pb(I0.95Br0.05)3）的效率突破20%。此外，通过暗电流、SCLC和电化学阻抗谱（EIS）等表征进一步验证了ET处理后的器件呈现处更低的缺陷态密度和抑制的电荷复合。
图4. ET处理前后器件光伏特性的差异。
要点五：ET处理增强了器件的稳定性及降低对环境损害的潜在威胁
除了对PVK薄膜缺陷和结晶的调控外，得益于ET处理后PVK表面疏水性的提升，及其对I2的捕获（即对I2的强还原），进而实现了对器件稳定性的提升。ET处理后的器件在空气（25℃）及氮气（60℃）中分别老化~800和~1500小时后，仍分别保持初始效率值的~80%及~82%。此外，ET展现出较强的PbI2捕获能力，从而阻断了PVK退化的通道和器件在应用中对环境带来的潜在威胁。
图5. 器件稳定性的变化及ET对I2和PbI2的捕获能力。
文 章 链 接
Ethyl Thioglycolate Assisted Multifunctional Surface Modulation for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402632
通 讯 作 者 简 介
宋嘉兴博士简介：嘉兴大学，硕士生导师。2018年毕业于吉林大学，获博士学位。目前担任嘉兴大学“长三角光伏与新能源技术国际科技合作基地”省级平台办公室主任。主要从事钙钛矿太阳能电池材料与器件的研究。以第一作者或通讯作者在国内外知名期刊发表SCI论文近30篇，主持省部级和市厅级项目4项，授权中国发明专利8项。
李在房教授简介：嘉兴大学“南湖学者”特聘教授，欧盟“玛丽•居里学者”，瑞典国家创新局 VINNMER Fellow，嘉兴市创新领军人才；目前担任长三角光伏与新能源技术国际科技合作基地省级平台常务副主任、嘉兴大学人事处副处长。主要研究方向为钙钛矿/有机太阳能电池、高导 PEDOT:PSS 电极的制备及在电子器件和能源器件上的应用。迄今为止在 Energ. Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater. 等国际期刊上共发表 SCI 论文 90 多篇，他引 3700 余次，入选2021年英国皇家化学会（RSC）Top1%高被引中国作者。主持各类项目 20 余项，其中国家级或省部级项目 6 项；授权中国发明专利 10 余项，获省自然科学二等奖 1 项。
严文生教授简介：严文生教授于2008年从南京大学物理系微电子专业获得工学博士学位（师从张荣院士），此后分别在新加坡、澳大利亚、德国从事科学研究长达12年，具有丰富的国际化团队领导及管理经验。2021年全职加盟杭州电子科技大学电子信息学院任教，并创建校级碳中和新能源研究院。他曾获得南京大学优秀博士学位论文、江苏省优秀博士学位论文、全国优秀博士论文提名奖、澳大利亚可持续能源部ARENA学者（全球性竞争，年度硅电池领域唯一入选者）、德国资深洪堡学者（全球性竞争，年度硅电池领域唯一入选者）、德国国家研究基金首席科学家、浙江省****专家、**特聘专家、省领军型创新创业团队负责人等荣誉/人才称号。担任德国、德国-俄罗斯、欧盟等多个国际特邀项目评审专家、30多个国际学术期刊审稿人、厦门大学讲座教授(2022-2025)。此外，也担任浙江省民盟省委会专委会副主任、浙江省长三角光伏与新能源技术国际科技合作基地学术委员会主任。
作为召集人或核心人员，他多次组织国际性学术会议或分会场议题。研究专长包括光伏电池（晶硅、钙钛矿及高效叠层电池）、储能电池、光伏与储能一体化、智能光伏电力电网系统、微电子与集成电路、人工智能制造及算法等。
在澳大利亚、德国工作期间，担任多项国家级光伏电池研发项目负责人。当前，承担着校企合作课题(1000万元)、中国创新挑战赛（宁波，500万元）、中国科技部重点研发计划课题(310万元)等多个研发项目。
第 一 作 者 简 介
王宇博士简介：现于杭州电子科技大学/电子科学与技术博士后科研流动站进行相关工作研究，研究重点为反式钙钛矿太阳能电池中界面性能的改善。迄今为止以第一作者身份在Adv. Funct. Mater., Small, J. Power Sources, Cell Rep. Phys. Sci., Chem. Commun.等国际期刊上发表10篇 SCI 论文，授权中国发明专利 2项。
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