广东工业大学黄少铭/吴华林AFM：同时紫外线转换和缺陷钝化稳定高效耐用的钙钛矿太阳能电池

第一作者：罗文强，温浩鑫

通讯作者：吴华林*，黄少铭*

单位：广东工业大学

钙钛矿太阳能电池（PSCs）以其简单的制造工艺、低成本的器件制造和卓越的功率转换效率而受到了广泛的关注。到目前为止，单结PSCs效率已经从3.8%突破到26.1%，超越了商业化硅基产品并正在接近Shockley-Queisser极限。然而，较差的长期运行稳定性是其实现商业化的严峻挑战。一方面，由溶液法制备的钙钛矿吸光层不可避免地在体部、表面和晶界处引入大量缺陷，这将产生严重的非辐射复合，从而导致器件效率下降；另一方面，复杂的工作条件如湿度、氧气、光照、热应力和高能紫外线辐照等会加剧钙钛矿薄膜的降解和进一步恶化器件稳定性。因此，减少钙钛矿内各种缺陷的同时增强对环境条件的抵抗性是构建高效稳定PSCs所迫切需要解决的问题。

近日，广东工业大学黄少铭教授团队的吴华林副教授在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表题目为“Simultaneous Ultraviolet Conversion and Defect Passivation Stabilize Efficient and Operational Durable Perovskite Solar Cells”的研究工作。

该研究提出将一种新颖的具有紫外线（UV）转换的功能化小分子香豆素153（C153）明智地引入钙钛矿前驱体中，以实现有效提高器件效率和抗紫外线辐射的运行稳定性。研究发现，C153中的–C=O and –CF₃基团能够与Pb²⁺配位，并通过氢键抑制A位阳离子空位的形成，从而稳固钙钛矿结构并显著减少了本征有缺陷。同时，由C153分子的下转换效应产生的可见光吸收增量以及优化的能级排列增强了器件的光电流。基于此，调控后的器件获得了24.73%的冠军效率，同时表现出显著提高的环境运行稳定性，未封装器件在持续紫外线辐照、热应力和白光照射下分别老化~380、~1400和1710 小时后仍能保持90%以上的初始效率。该研究工作为提高PSCs效率和环境稳定性提供了有效可行的策略。

C153 分子具有下转换效应，即在紫外线范围（从 280 到 370 nm）激发并在可见光范围（从 460 到 625 nm）发射，表明C153分子可用作钙钛矿薄膜的紫外线过滤器并增强光吸收。引入C153分子后，所制备的钙钛矿薄膜XRD（100）衍射峰、PL谱和吸收谱强度的增强和平均晶粒尺寸的增大，均表明钙钛矿晶体结晶质量得到有效改善；同时钙钛矿表面粗糙度的降低，表明与传输层间的界面接触得到改善，有利于电荷传输。

通过XPS、FTIR、NMR以及第一性原理密度泛函理论（DFT）等表征深入探究C153与钙钛矿组分间的相互作用机理。XPS、FTIR结果显示，C153的–C=O基团通过路易斯酸碱作用与薄膜中的未配位Pb²⁺相互作用；而–CF₃、–C=O则与FA⁺形成氢键，这一结果通过NMR得到印证。此外，DFT计算结果表明C153与钙钛矿有较强的结合力，表现为与Pb-I封端和FA-I封端2.21、0.97 eV的结合能，而FA表面空位形成能（VFA）则从3.81 eV增加到4.30 eV。因此推测C153的引入可显著减少缺陷，并大幅提高钙钛矿结构的稳定性。

此外，通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）深度剖析实验探究了C153分子在钙钛矿膜中的分布。由ToF-SIMS测定的PbI₃⁻、F⁻、SnO₂⁻和In₂O₃⁻离子随深度的分布和钙钛矿表层F−离子成像图的结果，可以清楚地得出C153分子主要分布在钙钛矿薄膜的埋底层界面，在钙钛矿上表面和体相上分布浓度较低，这也与3D空间分布结果相吻合。

空间电荷限制电流、暗态电流、阻抗谱、模特肖特基曲线等表明C153分子的引入大幅降低了钙钛矿薄膜的缺陷态密度，同时增强了界面电荷传输并提高了器件的内建电场；TRPL结果表明处理后显著提高的载流子寿命，而更加均匀、更高强度的PL-mapping分布和更窄、更均匀的KPFM-表面电势分布意味着缺陷相关的非辐射复合得到有效抑制。此外，处理后钙钛矿表面功函数的显著增加也表明有利于促进异质结处光生载流子的提取和减少器件的开压损失。

与原始器件相比，经 C153 处理的器件表现出增强的短路电流密度（JSC，从 24.68 到 25.25 mA cm⁻²）、更高的开路电压（VOC，从 1.154 到 1.185 V）和改进的填充因子（FF，从 77.86 到 82.65%），这导致器件效率从22.17%显著提高到24.73%，同时EQE及积分电流也印证了光伏性能的改善；稳定的稳态效率输出（SPO）和器件效率统计分析表明目标器件的良好复现性。

通过追踪在UV辐照下钙钛矿薄膜的吸收强度、晶体结构、Pb–I和FA+拉曼信号的动态演变以及FAI中N–H和C–H化学键的稳定性，揭示了C153分子抵抗UV辐照和稳固钙钛矿结构的内在机理；同时，器件埋底界面和截面SEM组织形貌的降解程度，也印证了分布于埋底界面的C153分子起到有效过滤紫外线提高钙钛矿层稳定性的作用。基于此，经C153分子处理的器件在50 mW cm⁻²持续紫外照射、85℃热应力和1-sun太阳光照下分别老化~380、~1400和1710 h后仍能保持90%的初始效率，这明显优于原始器件的~30、~100和170 h，证实了C153分子在提高紫外线辐射、热应力和光照下的运行稳定性方面起着至关重要的作用。

Simultaneous Ultraviolet Conversion and Defect Passivation Stabilize Efficient and Operational Durable Perovskite Solar Cells

黄少铭  广东工业大学教授、博导，国家杰出青年基金获得者。长期致力于低维材料和器件应用的基础研究和技术研发。1999年以来发表学术论文450多篇，包括Nat. Mater.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater., Phys. Rev. Lett.等国际一流期刊，论文被引用近2.5万次，H指数76。获省部级奖3项，申请发明专利近百件，授权50多件。入选科睿唯安全球高被引和前2%顶尖科学家。

吴华林  广东工业大学青年百人、特聘副教授，主要从事钙钛矿太阳能电池材料与器件物理的基础研究。在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Adv. Sci.、Small Methods、Mater. Horiz.、Solar RRL等国际学术期刊发表SCI论文20余篇。

罗文强：广东工业大学材料与能源学院21级硕士研究生

温浩鑫：广东工业大学材料与能源学院22级硕士研究生