好文分享:分子钝化VS二维钙钛矿钝化

文摘   2025-02-03 17:58   陕西  

钙钛矿太阳能电池效率发展逐渐逼近理论极限,而效率快速发展离不开有效的铵阳离子的钝化。铵阳离子的钝化主要包括两种结构:分子钝化层和二维钙钛矿结构。这篇综述旨在厘清两种钝化模式,分析低维结构的形成条件及其在3D钙钛矿表面的电子特性,并探讨其对器件性能的影响。

1.常见的用于钝化的铵盐阳离子:

效率认证超过23%基本都采用铵盐分子或2D钙钛矿钝化。

2.铵盐钝化层的形成方式:

1)直接法:预制2D钙钛矿通过物理堆叠或选择性溶剂直接转移至三维3D钙钛矿表面,形成明确的2D/3D异质结构。


2)间接法:将铵盐配体溶液涂覆于3D钙钛矿表面,可能引发三种结果:
  • 分子层覆盖:配体未与3D钙钛矿反应,形成非共形分子层;
  • 非共形2D层:部分配体反应生成局部2D钙钛矿,覆盖不完整;
  • 共形2D层:充分反应生成均匀连续的2D覆盖层,显著优化界面特性。



3. 2D钝化层的形成条件:
1)热力学驱动:2D钙钛矿的形成能低于3D结构,热力学上倾向通过3D钙钛矿与2D阳离子反应生成低维结构。
2)配体特性:
  • 电荷匹配:1+电荷(Ruddlesden-Popper结构)或2+电荷(Dion-Jacobson结构);
  • 空间位阻:铵基团周围位阻越小越易形成(顺序:RNH3+ > R2NH2+ > R3NH+ > R4N+);
  • 链长限制:烷基链长度需≥3且≤18碳原子,环状结构需含3-6碳原子(避免超出钙钛矿MX6八面体宽度);
  • 溶解性:需满足溶液加工需求;
  • 氢键与反应性:氢键调控配体排列,溶液反应性影响配体选择。

2)工艺参数调控:
  • 配体浓度:高浓度(如>1 mg/ml)促进2D相生成(如TEACl研究);低浓度(如2 mM Cl-PEAI)仅形成表面分子层,无2D结构。



  • 温度:退火(如100℃)可诱导表面PbI2与铵盐反应生成2D钙钛矿(如PEAI、CF3-PEAI);长时间退火(>1小时)可能导致2D层降解。



  • 溶剂极性:高极性溶剂(如IPA)溶解部分3D钙钛矿,易形成准2D结构;非极性溶剂(如氯仿)需依赖表面PbI2存在,通过插层缓慢生成2D相。

  • 3D钙钛矿组成影响:A位阳离子稳定性:Cs基钙钛矿抗配体渗透能力最强,MA基最弱(易被取代);CsPb(IxBr1-x)3需极高PEAI浓度才生成2D相,而CsPbI3在较低浓度下即可反应。



  • 阴离子空间位阻:盐阴离子体积增大(如BF4⁻、甲苯磺酸根)抑制2D相形成,仅I⁻或Br⁻允许低维结构生成。



  • 阳离子反应性:MA基钙钛矿:胺配体易使MA+去质子化,生成PbI2并形成Pb-碘胺复合物,促进2D相;FA基钙钛矿:胺直接与FA反应,可能生成非2D产物,抑制低维结构形成。



4.不同钝化类型对稳定性的影响:
1)2D钙钛矿钝化层
优势:抗湿性:疏水配体(如PEA)显著提升器件在潮湿环境中的稳定性;
抑制离子迁移:致密2D层阻断卤化物迁移路径,降低离子屏蔽效应,延长器件寿命(全无机2D层如Cs₂PbI₂Cl₄更稳定,T80寿命达5年@35℃);
热稳定性:部分2D层(如共形准2D结构)耐受高温(如110℃下T80寿命2,100小时)。
挑战:长期降解:纯2D相(n=1)可能随时间转化为准2D(n≥2),配体渗透导致结构破坏(如PEA配体迁移至体相,激活能仅36.6 kJ/mol);
共形性依赖:非共形2D层(局部覆盖)保护不完整,加速局部降解(如间接法钝化的T90寿命仅为直接法的50%)。
2)分子阳离子钝化层
优势:化学稳定性:高pKa值阳离子(如苯乙氨基甲亚胺盐)减少脱质子化反应,避免与FA反应生成氨气溶解钙钛矿;
灵活适配:不形成2D相(如氟化苯胺盐)可避免晶体结构破坏,长期稳定性更优(T80达2年@35℃)。
挑战:离子迁移抑制较弱:依赖表面缺陷修复,对体相离子扩散阻断有限,长期性能衰减较快。



5.不同钝化类型对效率的影响:
1)2D钙钛矿钝化层
优势:n-i-p结构适配:共形2D层通过能带匹配提升VOC(>1.2 V)和FF,效率峰值达24.7%;准2D优化:垂直取向n≥3结构保留高载流子迁移率,缓解量子限域效应。
挑战:p-i-n结构受限:电子阻挡效应导致JSC和FF下降(效率损失>5%);电荷局域化:水平堆叠或混合相钝化层引发低n区域电荷陷阱。
2)分子阳离子钝化层
优势:架构普适性:适配n-i-p和p-i-n,偶极调控灵活优化能带(如CF3-PEA增强ETL匹配);超薄高效:1 nm以下层厚通过隧穿维持高电荷提取效率(JSC和FF双提升)。
挑战:钝化深度有限:对深层缺陷修复不足,效率提升幅度低于2D层。



6.关键权衡与优化方向
稳定性-效率矛盾:2D层在n-i-p中高效但长期降解风险高,分子层稳定但效率增益有限;解决方案:开发全无机2D层(如Cs₂PbI₂Cl₄)或高结合能分子(如氟化苯胺盐),兼顾稳定与性能。
工艺选择:直接沉积法:共形2D层(如Sidhik研究)实现T99寿命2,000小时,显著优于间接法;气相钝化:丁胺蒸气处理等规模化技术可避免溶液工艺的动态控制难题。
未来方向:
垂直准2D层:通过取向调控减少电荷局域化(如n=3纯相结构);
动态钝化监测:结合原位表征(如PLQY、TOF-SIMS)实时追踪钝化层演化。

原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01529-3 

来源:钙钛矿电池稳定性

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