AEM. AT与PGT整合解决PSCs缺陷问题

前言

随着钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSC) 的快速发展，如何同时提升其效率与稳定性成为当前研究的核心挑战。

本研究以《Homologous Molecule Treatment in Perovskite Solar Cells: Synergistic Management of Holistic Defect and Charge Transfer》为题，提出了一种基于脒基硫脲 (AT) 和 1-苯基-3-胍基硫脲 (PGT) 分子的创新策略，通过协同管理整体缺陷和电荷传输，显著提升了 PSC 的效能与稳定性。

研究团队制备了一种平面 PSC，达到了 26.06%的功率转换效率 (PCE)，且在连续光照 1400 小时后仍保持 90% 的效率，展现出优异的稳定性。本研究由香港城市大学的Ning Zhou  (主要作者) 和叶轩立教授 (通讯作者) 主导，研究成果证明了同源分子在钙钛矿材料中的潜力，为高效稳定的 PSC 开发提供了新思路。

研究成就与亮点

开发了一种基于同源分子（AT 和 PGT）的协同策略，以解决钙钛矿太阳能电池中的整体缺陷和电荷转输问题。

AT 分子有效钝化了钙钛矿晶体内的各种缺陷，并调节了结晶动力学，而 PGT 分子则用于处理表面缺陷并减少界面非辐射复合。

基于这种策略，制造出的平面 PSCs 达到了 26.06% 的功率转换效率，并在连续光照 1400 小时后仍保持 90% 的效率。

研究团队

本研究由

主要作者：Ning Zhou 香港城市大学
通讯作者：叶轩立老師　香港城市大学

其他作者：Ning Zhou, Yiheng Shen, Zixin Zeng, Lingyi Ke, Fancheng Kong, Chen Cao, Philip C. Y. Chow, Sai-Wing Tsang, Alex K.-Y. Jen

研究背景

有机-无机杂化卤化物钙钛矿因其优异的光电特性、成本效益以及可扩展的制备工艺而备受关注，被视为下一代光伏技术。

尽管钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有优势，但要实现其商业化，仍需克服重大挑战，特别是在减少引发 Shockley-Read-Hall 复合的缺陷以及控制结晶过程方面。

现有许多策略可以解决这些问题，但分子工程的复杂性（通常需要不同的分子来完成不同的任务）限制了其实际应用。

解决方案

本研究引入了一种名为脒基硫脲 (AT) 的多功能化合物，该化合物具有多个强配位点，可以有效钝化钙钛矿晶体内的各种缺陷并调节结晶动力学。

此外，还引入了一种 AT 的同源分子，称为 1-苯基-3-胍基硫脲 (PGT)，该分子具有一个额外的苯环，用于处理表面缺陷并减少界面非辐射复合。

AT 和 PGT 的结合可以协同调节钙钛矿的结晶动力学，并解决整体缺陷，包括钙钛矿的体积和表面。PGT 电子特性还构建了一个有效的电荷转移通道，这显著抑制了界面非辐射复合。

实验过程与步骤

将 AT 分子加入到 FA0.92Cs0.08PbI3 钙钛矿前驱体溶液中。使用旋涂法制备钙钛矿薄膜，并在特定温度下进行退火处理。使用 PGT 溶液对钙钛矿薄膜进行表面改性处理。制备标准的 p-i-n 平面结构 PSCs，其中包括 ITO 基板、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和金属电极。

研究成果表征

电流-电压特性曲线 (J-V)：用于评估 PSCs 的光伏性能，包括开路电压 (Voc)、短路电流 (Jsc)、填充因子 (FF) 和功率转换效率 (PCE)。

控制设备的 PCE 为 22.18%，Voc 为 1.109 V，Jsc 为 24.39 mA cm-2，FF 为 82.0%。

加入 1% mmol 硫脲（作为参考添加剂）后，设备的性能与原始薄膜设备相当，PCE 为 22.34%，Voc 为 1.116 V，Jsc 为 24.87 mA cm-2，FF 为 80.5%。

将 1% mmol AT 加入钙钛矿后，PCE 明显提高到 23.78%，Voc = 1.126 V，Jsc = 25.41 mA cm-2，FF = 83.1%。

当钙钛矿用 1% mmol AT 和 1% mmol PGT 处理时，获得了最高的 PCE，为 26.06%，几乎没有迟滞现象 (Voc = 1.194 V, Jsc = 25.77 mA cm-2, FF = 84.7%)。(图 6b, 图 S17)

图 S16 (a): 展示了不同 AT 浓度下器件的 J-V 曲线。该图表明，AT 浓度对器件性能有显著影响，浓度为 1%。过低或过高的 AT 浓度都会降低器件性能，这可能是由于 AT 钝化缺陷和调节晶体生长的效果存在浓度范围。

图 S16 (b): 展示了不同 PGT 浓度下器件的 J-V 曲线 (钙钛矿前驱体中含有 1% AT)。该图显示，随着 PGT 浓度的增加，器件的 Voc 逐渐提升，但当 PGT 厚度过大时，Jsc 会大幅下降。这表明 PGT 具有良好的空穴阻挡能力，但过厚的 PGT 会阻碍电荷传输，因此需要控制 PGT 的厚度以获得性能。

光强度依赖性 J-V 特性：用于评估不同光强度下器件中的复合损耗，并研究载流子复合机制。

Voc 随光强度单调增加，理想因子超过 1，表明复合不仅受少数载流子浓度的控制，还受陷阱辅助 SRH 复合机制的影响。(图 6e)

理想因子随着 AT 和 AT&PGT 处理分别从 1.27 降低到 1.15，再从 1.15 降低到 1.08，表明处理后的器件中陷阱辅助 SRH 复合受到抑制。

原始设备、AT 处理设备和 AT&PGT 处理设备的 Jsc 与光强度的关系斜率分别为 0.962、0.987 和 0.992，表明单分子复合在优化设备中占主导地位，处理后的设备 Jsc 与光照强度之间表现出理想的关系，表明陷阱密度相较于原始电池有所降低。(图 6f)

最大功率点 (MPP) 追踪：用于评估 PSCs 在连续光照下的操作稳定性。

AT&PGT 处理的设备表现出优异的性能，在连续光照 1400 小时后仍保持超过 90% 的初始 PCE，远优于仅保留 82% 的原始电池。(图 6g)

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外部量子效率 (EQE) 光谱：用于评估 PSCs 在不同波长下的光电转换效率，证实 AT 和 AT&PGT 处理可提高电流密度。 (图 6c)

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空间电荷限制电流 (SCLC) 测量：用于确定钙钛矿薄膜内的陷阱密度。

原始薄膜、AT 处理薄膜和 AT&PGT 处理薄膜的陷阱密度分别为 2.10 × 1015、1.69 × 1015 和 1.45 × 1015 cm-3，表明缺陷态随着不同处理而减少。 (图 6d)

热稳定性测试：将设备放置在 85°C 的加热板上进行老化测试，以评估其在高温下的稳定性。

处理后的设备相较于原始设备表现出更好的热稳定性，表明 AT&PGT 处理有助于设备更好地耐受高温。 (图 6h)

湿度稳定性测试：将薄膜暴露于相对湿度接近 80% 的环境中，并通过 XRD 分析评估其稳定性。

AT&PGT 处理的薄膜相较于原始薄膜表现出更好的抗降解性，原始薄膜在几天内就出现了 PbI2 和 δ 相的形成。 (图 S20a, b)

处理后的薄膜还表现出更高的疏水性，接触角更大，对湿气的抵抗力更强。 (图 S20c-e)

其他表征：

扫描电子显微镜 (SEM)：用于观察钙钛矿薄膜的表面形貌和晶粒尺寸。 (图 2a-d, 图 S9)

原子力显微镜 (AFM)：用于探测薄膜的表面特性，AT 掺杂的薄膜表面更光滑。 (图 S5)

拉曼光谱：用于评估钙钛矿薄膜在 20×20 mm2 面积上的均匀性。 (图 S6)

掠入射广角 X 射线散射 (GIWAXS)：用于监控整个薄膜形成过程。 (图 2e-g)

原位光致发光 (PL)：用于了解旋涂和退火过程中钙钛矿的成核和晶体生长过程。 (图 3a-d)

超快瞬态吸收 (TA) 测量：用于研究钙钛矿薄膜中的缺陷捕获。 (图 3e, f, 图 S7, S8)

稳态 PL 光谱：显示 AT 增强了 PL 发射，而 PGT 进一步放大了这种效应。 (图 4b)

时间分辨 PL (TRPL)：显示 AT 处理的薄膜和 AT&PGT 处理的薄膜表现出更长的载流子寿命，分别为 657.8 ns 和 1031.3 ns，而原始薄膜为 411.6 ns。 (图 4c)

光致发光量子产率 (PLQY)：用于分析各层和界面中的非辐射复合损耗行为，AT&PGT 处理的薄膜仍然显示出更高的 PLQY，表明 AT&PGT 的协同效应。 (图 4d)

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紫外-可见光吸收光谱和紫外光电子能谱 (UPS)：用于确定薄膜的能级。(图 4e, f, 图 S12, S13)

开尔文探针力显微镜 (KPFM)：用于验证功函数结果。 (图 4g, 图 S11)

反射电子能量损失谱 (REELS)：用于确定 PGT 的表面带隙。 (图 4h)

X 射线光电子能谱 (XPS)：用于分析薄膜的元素组成和化学态。(图 1b-d, 图 S14)

傅立叶变换红外光谱 (FTIR)：用于确认钙钛矿与 TU 或 AT 分子之间的化学相互作用。(图 1e, f, 图 S1)

核磁共振 (NMR)：用于深入分析 AT 和 PbI2@AT 复合物结构。 (图 S2)

密度泛函理论 (DFT) 计算：用于了解 AT 和 PGT 在钙钛矿表面的钝化机制。(图 5, 图 S15)

研究成果

本研究开发了一种基于同源分子 AT 和 PGT 的协同策略，以解决钙钛矿太阳能电池中的整体缺陷和电荷转移问题。AT 作为添加剂，有效钝化了钙钛矿薄膜中的缺陷，并调节了结晶过程，从而获得了具有更大晶粒尺寸、更光滑表面和更少缺陷的高质量薄膜。而 PGT 作为表面改性剂，则通过阻挡空穴转移，进一步减少了表面缺陷和界面非辐射复合。

研究结果表明，AT 和 PGT 的协同效应显著提高了 PSCs 的光伏性能，器件的 PCE 达到了 26.06%，这归因于缺陷钝化、晶粒尺寸增大和界面电荷转移的改善。

此外，AT&PGT 处理的器件表现出优异的操作稳定性，在连续光照 1400 小时后仍保持超过 90% 的初始效率，同时热稳定性和湿度稳定性也得到了改善。

这项工作为通过同源分子调节整体缺陷钝化和构建电荷转移通道提供了重要的见解，为设计高效稳定的钙钛矿太阳能电池开辟了新的途径。

文献参考自Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/adfm.202418798

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