表面钝化是提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）光伏性能的关键方法，其中钝化溶剂是钝化效果中重要但又容易被忽视的因素。华北电力大学李美成研究团队综合考虑溶剂的溶解度和对钙钛矿的选择性溶解，提出了一种通用的三元表面钝化溶剂体系，以最大化钝化效果。通过比较不同非质子极性溶剂分子与钙钛矿的结合能以及扭曲钙钛矿晶格的能力，选择四氢噻吩1-氧化物（THTO）作为钝化促进剂，其可促进钝化剂与钙钛矿的反应，从而在钙钛矿表面实现充分钝化。钝化剂采用4-甲氧基苯乙铵碘化物（4-MeO-PEAI）。三元溶剂体系协同保护钙钛矿表面并促进4-MeO-PEAI的渗透，从而获得缺陷减少且二维覆盖层增强的高质量钙钛矿表面。在三元溶剂体系中，主要成分是难以溶解钙钛矿的氯苯（CB），少量的IPA以溶解4-MeO-PEAI，并加入了四氢噻吩1-氧化物（THTO）以通过软化钙钛矿无机框架来促进4-MeO-PEAI的渗透。因此，所得到的PSCs实现了26.05%的最高PCE，填充因子为83.71%，开路电压（VOC）为1.187 V。此外，未封装的PSC在室温下存储超过2000小时后和在氮气手套箱中光照浸泡约800小时后，仍能分别保持其初始PCE的95.23%和95.68%。
钝化层的准备：将4.5毫克4-MeO-PEAI溶解在1毫升IPA&CB&THTO三元溶剂（IPA&CB混合溶剂（体积比1:9）中加入0.2微升THTO添加剂）中。
为了构建一个最先进的溶剂体系以最大化钝化效果，研究团队开发了一个由异丙醇（IPA）、碳酸二乙酯（CB）和四氢呋喃（THTO）组成的三元溶剂体系。如图1a和1b所示，在这个三元溶剂体系中，IPA作为钝化溶剂，CB作为主成分起稀释剂的作用，而THTO则作为钝化促进剂。IPA作为一种质子极性溶剂，在作为4-甲氧基苯乙胺碘化铅（4-MeO-PEAI）的唯一溶剂时，会通过溶解甲脒氢碘酸盐（FAI）不可避免地破坏钙钛矿表面，导致额外的缺陷，尤其是甲脒阳离子（FA+）空位。为了减轻这种钙钛矿破坏，研究团队在确保钝化剂充分溶解的基础上，使用CB作为稀释剂来减少IPA的用量。此外，鉴于钝化剂与表面之间的反应不足，研究团队引入了THTO这一非质子极性溶剂，它可以软化钙钛矿结构，作为钝化促进剂，通过促进4-MeO-PEAI的渗透和二维钙钛矿的形成，确保充分的钝化。图2. 氯苯对钙钛矿的保护作用
IPA溶剂对钙钛矿薄膜具有不利影响，但这种不利影响可以通过引入作为稀释剂的CB来显著减轻。
研究团队讨论钝化促进剂及其在三元溶剂体系中的作用。首先进行了密度泛函理论计算，以计算钙钛矿与一系列非质子极性溶剂之间的结合能（Eb）。如图3a所示，所有选定的非质子极性溶剂都可以通过与Pb²⁺结合而稳定地吸附在钙钛矿上。其中，THTO与钙钛矿之间的Eb最高。与正常的钙钛矿晶格相比，吸附的溶剂分子可以明显引起晶格畸变，包括Pb─I键长度的变化和FA⁺的旋转。研究团队计算了吸附Pb²⁺附近的五个Pb─I键的长度，然后将其与正常钙钛矿晶格中相应的Pb─I键进行比较，以获得Pb─I长度平均变化率，该值用于定量评估钙钛矿晶格畸变。图3b显示了不同溶剂分子吸附后钙钛矿晶格的Pb─I长度平均变化率。当钙钛矿晶格吸附THTO时，Pb─I长度的平均变化率最大，这表明THTO可以明显扭曲和软化钙钛矿晶格。这种大的钙钛矿晶格畸变被认为有利于促进4-MeO-PEAI的渗透及其与钙钛矿的反应。因此，确定THTO为三元溶剂体系中的钝化促进剂。此外，XRD和PL测量的结果均证实，稀释剂对二维钙钛矿的形成影响较小，但由于其可以抑制由IPA对钙钛矿的破坏引起的额外缺陷，因此可以实现更有效的钝化。THTO也可以作为钝化促进剂，有助于实现更有效的表面钝化，并优化表面能分布。图3f和g中的SEM结果表明，由溶解在IPA&CB&THTO中的4-MeO-PEAI钝化的钙钛矿薄膜具有更致密的表面，且残留的PbI₂减少。三元溶剂体系可以协同抑制表面钝化过程中IPA诱导的缺陷，并促进4-MeO-PEAI的渗透及其与钙钛矿的反应，从而确保实现非破坏性和充分的表面钝化（图4g）。图5. 活性面积为0.08 cm²的PSCs的光伏性能和稳定性研究团队使用一步旋涂法制备了平面钙钛矿太阳能电池，并对其光伏性能进行了表征，以研究三元溶剂体系对PSCs性能的影响。基于相对最优的三元溶剂体系配方，目标PSCs实现了25.52%的最高功率转换效率（PCE），其短路电流密度（JSC）为26.08 mA cm⁻²，开路电压（VOC）为1.174 V，填充因子（FF）为83.36%（图5a）。为了探索三元溶剂体系对其他钝化剂的普遍有效性，研究团队还使用BAI、p-Br-PEAI、o-F-PEAI、CF₃-PEAI和PEAI作为钙钛矿表面钝化剂制备了PSCs。无论使用哪种钝化剂，三元溶剂体系都能增强表面反应并优化表面钝化，这可以通过降低表面粗糙度和改变表面电势来证实，如图5c所示。研究团队进一步采用两步旋涂法制备了钙钛矿薄膜，并随后制备了结构为FTO/氧化锡（SnO₂）/钙钛矿/4-MeO-PEAI/Spiro/Au的平面PSCs。如图5d所示，目标PSCs实现了26.05%的最高功率转换效率（PCE）（JSC = 26.22 mA cm⁻²，VOC = 1.187 V，FF = 83.71%），且滞后效应较小。A Universal Ternary Solvent System of Surface Passivator Enables Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 26%
https://doi.org/10.1002/adma.202410390
