推文作者：孙宽课题组
第一作者：王灿
通讯作者：孙宽&姜庭明
通讯单位：重庆大学能源与动力工程学院
论文DOI：10.1002/adfm.202420084
全文速览
钙钛矿薄膜表面的缺陷密度明显超过块体，主要是由于悬垂键和过大应变的存在。在此，我们报告了一种协同表面工程，旨在减少钙钛矿薄膜的表面缺陷。该方法涉及将热退火的钙钛矿薄膜置于受控的冷却条件下，涉及具有调节湿度的环境，与氮气环境对比，然后进行苯乙基碘化铵（PEAI）钝化。经过湿度冷却（MC）处理的钙钛矿薄膜表现出增强的辐射复合，延长载流子寿命，当与空穴传输层（HTL）接触时，改善了空穴传输和提取，同时显著降低了应变。值得注意的是，与氮气冷却（NC）处理的钙钛矿膜相比，PEAI对MC处理的钙钛矿膜的钝化作用明显增强，表面电位映射更均匀，载子寿命明显延长。这种增强的钝化效果可能是由于在MC处理的薄膜中新形成的二维钙钛矿相PEA2FAPb2I7与PEA2PbI4的比例较高。因此，MC处理钙钛矿太阳能电池（PSC）获得了25.28%的冠军功率转换效率（PCE），超过了NC处理的器件，其PCE仅为24.01%。
背景介绍
金属卤化物钙钛矿具有吸收系数高、载流子扩散长度长、带隙可调等显著的光电特性，已成为光电子研究领域的重要组成部分。利用金属卤化物钙钛矿作为光吸收层的钙钛矿太阳能电池（PSCs）在过去的十年中受到了全世界的广泛关注，其经认证的功率转换效率（PCE）高达26.54%。
本文亮点
本文表明，与在氮气环境中冷却相比，在相对湿度（RH）控制30%的环境中冷却制备的钙钛矿薄膜，可以有效地修饰钙钛矿薄膜的表面，从而减少表面缺陷。为清楚起见，我们将受控RH中的冷却过程称为“湿冷却（MC）处理”，将氮气中的冷却过程称为“氮冷却（NC）处理”。MC处理后的钙钛矿膜与空穴输运层（HTL）界面时，辐射复合增强，载流子寿命延长，空穴输运和萃取性能提高。有趣的是，PEAI对MC处理过的钙钛矿膜的钝化作用被显著放大，钙钛矿(PVK)/PEAI膜的表面电位映射更为均匀，载流子寿命也大大延长。MC和NC处理的钙钛矿膜中PEA2FAPb2I7和PEA2PbI4的比例变化，对应于钙钛矿和PEAI界面形成的二维钙钛矿相，可能是钝化效果增强的基础。因此，基于MC处理的钙钛矿薄膜的器件的PCE为25.28%，短路电流密度（Jsc）为25.68 mA/cm²，开路电压（Voc）为1.181 V，填充因子（FF）为83.37%。该性能优于基于NC处理的钙钛矿膜的控制装置，PCE为24.01%，Jsc为25.77 mA/cm2， Voc为1.143 V， FF为81.50%。
图文解析
给出了MC/PEAI操作流程与器件结构图，冠军器件效率为25.28%，填充高达83.37%。
XRD证明了钙钛矿薄膜在湿度下处理30min并不会诱导钙钛矿的降解，SEM与AFM反而证明MC处理后的薄膜粗糙度大大降低，晶体粒径增大，这可能归因为水分子可以诱导参与碘化铅与未反应的FAI形成新的α相。不仅如此， MC处理后的钙钛矿薄膜PL强度与寿命都有一定程度的增强。GIXRD证明MC处理同时大大释放了薄膜残余应力。
PEAI处理后的钙钛矿薄膜均显示出了2D钙钛矿的钝化效果，AFM表明PEAI处理后的钙钛矿表面粗糙度大大降低， KPFM表明MC/PEAI处理展现出更均匀的表面电势，PL, TRPL结果显示MC/PEAI比NC/PEAI更强的荧光强度与寿命。不仅如此，MC处理可以放大PEAI钝化效果。为了探究MC处理对PEAI钝化的增幅作用，我们通过GIWAXS探测PEAI处理PVK/NC与PVK/MC的表面晶体堆叠，发现MC处理的钙钛矿薄膜展现出PEA2FAPb2I7（N=2）主导的表面而NC处理的PEA2FAPb2I7 与PEA2PbI4比例相近，因此我们认为近纯相的二维表面具有更强的钝化效果，从而增强器件效率与稳定性。
J-V曲线以及EQE证实器件的真实性。此外，SPO, TPC, TPV, SCLC说明MC/PEAI处理具有优秀的缺陷抑制作用，而且无封装器件在低湿度环境下1600小时仍然保持95%的效率。
总结与展望
我们报告了一种通过顺序湿度冷却和PEAI钝化来减少钙钛矿薄膜缺陷的组合策略。经湿度冷却处理的钙钛矿薄膜表现出改善的辐射复合，更长的载流子寿命，以及与空穴传输层界面时增强的空穴传输和提取。值得注意的是，PEAI对湿度处理过的钙钛矿薄膜的钝化作用被显著放大，表面电位更均匀，载流子寿命显著增加。
作者介绍：
硕士研究生王灿第一作者，重庆大学孙宽教授与姜庭明副教授为文章的通讯作者，重庆大学为第一单位。
论文信息：
Surface Engineering of Perovskite Films via Sequential Moisture Cooling and Passivation for Efficient Solar Cells
Can Wang, Zeping Ou, Yi Pan, Nabonswende Aida Nadege Ouedraogo, Peidong Chen, Qin Gao, Ke Yang, Hongliang Lei, Yunfei Ouyang, Wei Wan, Mingyang Gao, Zhiwei Wu, Deyong Peng, Tingming Jiang*, Kuan Sun*
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202420084
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