EEM | 澳门大学邢贵川教授和蔡永青教授：表面钝化制备高效稳定钙钛矿太阳能电池

近日，澳门大学邢贵川教授和蔡永青教授在Energy & Environmental Materials上发表题为“Surface Passivation towards Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”的综述型论文。第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生夏俊民。

亮点

1. 对缺陷的类型及其对钙钛矿光伏器件的不利影响进行全面讨论；

2. 分类地系统性总结了表面钝化材料在钙钛矿光伏器件钝化机制及其最新进展；

3. 阐明表面钝化材料和技术在钙钛矿光伏器件中的挑战、存在问题以及未来研究方向。

引言

尽管金属卤化物钙钛矿在下一代高效光伏器件中越来越受欢迎，但制备过程中不可避免引入的表面缺陷已成为其进一步提高性能的障碍。这些缺陷会增加非辐射复合，并降低太阳能电池的功率转换效率。表面钝化策略已被认为是抑制这些缺陷的最实用方法之一。因此，有必要对表面钝化策略进行详细总结，以揭示其对于器件性能改进的机理。在此，本文系统总结了各类表面钝化材料的钝化机理和最新进展，包括路易斯酸碱、低维钙钛矿、无机分子和聚合物等。最后，本文还对表面钝化的研究趋势和前景进行了分析与展望。

文章简述

本文首先讨论了钙钛矿光伏器件中缺陷的种类、形成原因及其不利影响（太阳能电池的载流子复合、电荷转移、Voc、稳定性和滞后性）。器件中大多数陷阱位于表面，其电荷陷阱密度比内部大一到两个数量级。此外，移动的内部缺陷可以迁移并转变为表面缺陷状态。实验和模拟都表明，点缺陷（尤其是ABX₃中的卤素空位（V_X）和阳离子空位（V_A））都具有低的形成能量和活化能。一般来说，低配位正电荷的中心金属将伴随着V_X，它通常作为复合中心。而VA会导致带负电的缺陷，如低配位的卤化物，禁止电荷分离。

因此，研究人员设计了一系列的分子来实现直接表面钝化，如路易斯酸和碱、两性分子、低维钙钛矿、聚合物和无机分子等。之后，本文分类地系统总结了用不同功能分子进行表面钝化的各种方法和机制。除了形成钙钛矿（ABX₃）的元素外，可以通过在表面引入不同的功能分子来实现对器件性能的优化。对于由缺失的卤素原子造成的空位，卤化物可以填充到空位中。对于阳离子空位缺陷，人们发现碱金属可以钝化这种缺陷。对于含有-NH₃官能团的钝化材料，I^-空位主要被NH₃-I氢键的相互作用所抑制。同时，通过利用刘易斯酸和碱与各种元素（N、P、S、O等）的电子供体和受体的特性，可以钝化钙钛矿中的带电缺陷。此外，由于具有良好的稳定性和优异的光电性能，因此低维钙钛矿也是一种显著的钝化层。由于具有独特的物理和化学特性，聚合物和无机分子也可以被用作表面的疏水 "覆盖物"。在钝化功能之外，研究人员还开发了钝化层的其他功能，如充当载流子传输层，相变的触发剂等。总体而言，由于两种缺陷同时存在于钙钛矿薄膜中，离子分子和两性分子似乎是最理想的研究方向。原位生长的二维钙钛矿在优化形貌和界面参数方面表现出很高的潜力。同时，具有独特物理和化学性质的聚合物和无机分子可以在特定领域带来意想不到的突破。一般来说，钝化剂可以在以下方面促进器件的发展。通过电子或化学作用利用钝化分子的功能团填补空位或固定原子；优化界面接触，促进载流子传输；通过调整钙钛矿的结晶过程来改善薄膜形态；通过产生内置电场，提高载流子提取能力；通过防止水与钙钛矿表面发生反应来稳定器件；通过锚定作用来减少器件的离子迁移和回滞效应。

最后本文尝试阐明了表面钝化材料和技术在钙钛矿光伏器件中的挑战、存在问题以及未来研究方向。目前，钝化在光伏器件的发展中起到了不可或缺的作用。然而，对于大面积和商业化的制造，设计和合成更有效和更经济的钝化材料将是下一阶段的关键问题。除了开发多样的钝化材料之外，研究人员也应当尝试新的钝化层的制备与表征方法。

图文简介

图 1. 钙钛矿表面各种缺陷、钝化分子及其钝化机理的示意图。

图 2. 长链烷基铵的二维钙钛矿钝化作用。

文章链接

Junmin Xia, Chao Liang*, Hao Gu, Shiliang Mei, Shengwen Li, Nan Zhang, Shi Chen, Yongqing Cai*, Guichuan Xing*. Surface Passivation Toward Efficient and Stable Perovskite Solar Cells. Energy Environ. Mater. 2022. DOI: 10.1002/eem2.12296

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12296

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作者简介

夏俊民，目前在中国澳门大学应用物理与材料工程研究院攻读博士学位。他于2012年在获得西安交通大学获得化学工程与工艺专业学士学位。他目前的研究兴趣集中在钙钛矿太阳能电池的开发和DFT模拟。

蔡永青，中国澳门大学应用物理与材料工程研究院的助理教授。他于2012年在新加坡国立大学获得物理学博士学位。他的研究兴趣集中于模拟凝聚态中声子和其他量子准粒子，相变，材料信息学和人工智能等计算材料科学和物理学领域。

邢贵川，澳门大学应用物理与材料工程研究所教授。他于2011年在新加坡国立大学获得物理学博士学位，随后于2009年至2016年在新加坡南洋理工大学物理与应用物理系担任研究助理、研究员和高级研究员。他的研究兴趣集中于超快激光光谱学、纳米光电子学、用于光收集和光发射的钙钛矿、非线性光学特性，以及新型光电材料和器件中的超快载流子动力学。

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