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研究背景
钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为一种潜在的替代能源技术，引起了广泛的关注。PSCs具有高吸收率、低成本和易于制备等优点，但在实际应用中，其功率转换效率（PCE）和稳定性问题一直是制约其发展的关键因素。在PSCs中，pin（倒置结构）的反转型钙钛矿太阳能电池在工作稳定性方面具有优势，但其PCE却相对较低。主要问题在于界面处的能量损失，尤其是钙钛矿与电荷传输层之间的界面，导致PCE的下降。这些能量损失主要由于带间对齐不良和能级固定所致，而这些问题又受到表面缺陷的加剧。
此前的研究表明，表面钝化可以有效地抑制界面非辐射复合，从而提高PSCs的性能和稳定性。然而，目前常用的表面处理方法存在着一些问题，比如使用单一活性结合位的添加剂和表面处理剂可能导致过密的表面覆盖，引入电阻性屏障，限制电荷传输效率。
为了解决这些问题，
美国西北大学/加拿大多伦多大学Edward H. Sargent院士、
美国西北大学
Bin Chen
和上海科技大学宁志军等人
携手提出了一种新的表面处理策略，即使用结合到钙钛矿表面上两个相邻Pb
2+
缺陷位的配体。这种配体以平面排列方式结合，使得其在表面上的覆盖更为均匀，减少了电阻性屏障的形成，从而改善了电荷传输效率。以上成果在“Science”期刊上发表了题为“Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands”的论文。本研究成功地应用了这种新型表面处理策略于倒置结构的钙钛矿太阳能电池中，并取得了显著的成果。我们报告了该电池在不同照射面积下的认证PCE，分别为26.15％和24.74％，并且在连续1200小时的1太阳最大功率点操作后，其稳定性仍能保持95％的初始PCE。
图文解读
为了研究配体在钙钛矿太阳能电池中的吸附行为以及对界面性能的影响，研究者进行了图1的理论计算。首先，研究者考虑了三种不同结构的配体，并通过密度泛函理论（DFT）计算了它们在钙钛矿表面的吸附能力。结果显示，苯磺酸盐（BZS）和4-甲基苯磺酸盐（4CH
3
-BZS）倾向于以垂直方式吸附到表面，而4-氯苯磺酸盐（4Cl-BZS）则更倾向于以平行方式吸附。进一步分析表明，4Cl-BZS的吸附能力最强，对C
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电子传输层的吸附效果最佳。垂直吸附的配体可能导致电子传输的阻碍，而平行吸附的配体则可以增强界面的机械强度，并且更有利于电子传输。因此，通过合理设计配体的结构和取向，可以优化钙钛矿太阳能电池的界面性能，提高其光电转换效率和稳定性。
图2中，他们使用时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）对未经处理和经过处理的钙钛矿薄膜进行了表征。结果显示，苯磺酸盐（BZS）、4-甲基苯磺酸盐（4CH
3
-BZS）和4-氯苯磺酸盐（4Cl-BZS）均富集在钙钛矿薄膜的顶部表面附近。通过X射线衍射（XRD）图谱，他们发现处理后的钙钛矿薄膜没有明显的峰移，表明配体在晶膜结晶过程中未进入晶格，而是朝向顶部表面扩散。此外，他们使用X射线光电子能谱（XPS）观察到Pb 4f XPS峰向低能移动，并从XPS和核磁共振光谱中发现了配体与钙钛矿之间的相互作用迹象。这些结果表明，配体成功地与钙钛矿表面发生了相互作用，并改善了钙钛矿的表面性质。
随后，研究者对配体处理后的钙钛矿薄膜和器件堆栈进行了光电转换性能的评估。他们观察到，经过处理的薄膜和完整的器件堆栈的光致发光（PL）量子效率（PLQY）均有所提高，表明配体的添加改善了钙钛矿的发光效率。特别是，经过4Cl-BZS处理的完整器件堆栈的PLQY增加了两倍，而且与控制组相比，对应于预期的较高的准费米能级分裂（QFLS）。此外，时间分辨光致发光（TRPL）显示，处理后的薄膜的载流子寿命也有所增加，进一步表明配体的添加改善了钙钛矿的载流子动力学性能。通过对钙钛矿/电子传输层（ETL）堆栈的瞬态光电流测量，研究者发现，配体处理后的完整器件堆栈显示出更高的光电流衰减速度，表明电子提取更加高效。这些结果表明，配体的添加不仅改善了钙钛矿的发光性能，还提高了器件的光电转换效率和稳定性。
最后，研究者使用4Cl-BZS处理的钙钛矿制备了倒置式钙钛矿太阳能电池，并对其光伏性能和稳定性进行了评估。结果显示，与控制组相比，4Cl-BZS处理的器件表现出更高的光电转换效率和更高的填充因子，从而显著提高了器件的性能。此外，通过对经过处理的器件进行热稳定性测试和长期光照稳定性测试，研究者证明了4Cl-BZS处理的器件在不同环境条件下都表现出良好的稳定性。这些结果为进一步优化倒置式钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性提供了重要的参考。
图3. 反式结构钙钛矿光伏器件的效率和稳定性表征。
总结展望
这项研究通过引入具有平行排列倾向的配体来改善钙钛矿太阳能电池（PSC）的性能。相比于传统垂直排列的配体，这种平行排列的配体可以减少钙钛矿-C
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界面的电阻，并降低表面缺陷密度，从而提高光电转换效率。特别是，研究人员成功地利用4氯苯磺酸盐（4Cl-BZS）与钙钛矿表面的Pb
2+
离子发生相互作用，有效地提高了倒置结构PSC的性能，使其接近了nip结构的水平。此外，该方法还展现出了对多种钙钛矿组成的适用性，为全钙钛矿串联太阳能电池的研发提供了新的思路。这一研究揭示了通过合理设计和引入配体来优化界面结构，可以改善PSC的性能和稳定性，为未来高效稳定的太阳能电池技术提供了重要的科学参考。
Hao Chen et al. ,Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands.Science384,189-193(2024).
DOI:10.1126/science.adm9474
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