通讯作者：田庆文，向万春，刘生忠
通讯单位：中科院大连化物所；陕西师范大学
无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）可实现高效率和出色的热稳定性。然而，缺陷引起的严重非辐射电荷复合会导致光电压损失，从而限制PSC的功率转换效率接近Shockley-Queisser（S-Q）极限。因此，合理的表面缺陷钝化是进一步提高无机钙钛矿太阳能电池光电转换效率的有效手段。基于此，陕西师范大学刘生忠团队采用了一种生物兼容性的环保材料组胺（HA）钝化钙钛矿表面的缺陷（欠配位的Pb2+）研究全无机钙钛矿的表面缺陷对PSC的功率转换效率的影响。相关工作以“Rational Surface-Defect Control via Designed Passivation for High-Efficiency Inorganic Perovskite Solar Cells”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。
图1. 无机钙钛矿的表面缺陷识别和化学相互作用：（a）四种表面缺陷和相应DFE的顶视图。VI与HA分子表面相互作用的钙钛矿理论模型：（b）-NH2与VI；（c）带有Ⅵ的咪唑环；（d）-NH2和咪唑与VI的协同作用。
使钙钛矿薄膜表面陷阱密度显著降低，电荷寿命有效延长，因此电池效率得到大幅度提升到20.8%，超过了之前韩国Sang Il Seok教授报道的最高效率20.37%。首先，研究人员使用密度泛函理论的表明，全无机金属卤化物钙钛矿薄膜表面的碘空位（VI）是捕获自由电荷载流子的主要缺陷。一种环保材料组胺（HA）可选择性的钝化钙钛矿薄膜中的VI。研究表明，HA与钙钛矿通过路易斯酸碱反应和氢键的协同作用相结合，从而实现对钙钛矿的有效钝化。导致钙钛矿薄膜内的表面陷阱密度显着降低并延长电荷寿命。HA钝化还引起钙钛矿层能带边缘的向上移动，促进界面空穴转移。在100 mW cm-2光照下，太阳能电池效率从19.5%提高到20.8%，这是迄今为止无机金属卤化物PSC的最高效率。该策略提供了一种合理的设计，可以有效地钝化全无机钙钛矿以实现高效率。
图2. 从钙钛矿表面表征HA和VI之间的相互作用：（a）FTIR光谱；（b）N 1s和（c）Pb 4f的XPS。
图3. CsPbI3-xBrx的PSC的光伏性能：（a）装置结构；（b）反向扫描方向在100 mW cm-2照射下测量的有和没有HA的器件的J-V曲线；（c）MPP跟踪中的SPO；（d）EQE和综合JSC；（e）PSC的滞后和（f）光伏参数的统计。
图4. HA处理对CsPbI3-xBrx钙钛矿表面的钝化效果：（a）钙钛矿薄膜的PL光谱；（b）TRPL；膜内的陷阱密度（c）没有HA和（d）有HA钝化；（e）原子力显微镜；（f）KPFM。
参考文献：
Xiaojing Gu, WanchunXiang, Qingwen Tian, Shengzhong (Frank) Liu, Rational Surface-Defect Controlvia Designed Passivation for High-Efficiency Inorganic Perovskite Solar Cells, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202109724.
