专访：钙钛矿太阳电池界面钝化的通法也可能是稳定性杀手！

一、【导读】

经过十多年的发展，界面钝化已经成为提升钙钛矿太阳能电池性能以及稳定性的常规手段。然而，界面钝化真的就是确保钙钛矿新宠性能提升的“通法”吗？截止目前，这种界面改变对钙钛矿太阳能电池性能带来的利弊权衡关系还没有引起学术界的足够重视。近日，蔚山国立科学技术研究所Sang Il Seok和Nam-Gyu Park以及加州大学洛杉矶分校杨阳等人在Science发表的一篇综述（10.1126/science.abj1186）中就指出：界面的钝化处理也会引起钙钛矿与顶部电荷传输层之间的异质结界面能量和载流子动力学的变化。

针对上述问题，2022年3月15日，Nature杂志在线刊发了来自UCLA杨阳、西湖大学王睿和成均馆大学Jin-Wook Lee等人组成的国际联合团队的最新研究，即异质界面的钝化对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的影响(Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics)。作者发现表面钝化处理可能诱发钙钛矿表面功函数的转变，从而激活卤化物迁移，加剧PSC的不稳定性。因此，尽管表面钝化有好处，但这种有害的副作用限制了以这些方式处理的PSC所能达到的最大稳定性改善。这种有利和不利影响之间的权衡应指导进一步通过表面处理改善PSC稳定性的工作。

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二、【强烈反响】

这篇论文上线不到9天，就被国际科技媒体报道了多达19次，其Altmetric指数已经高达158，可见这项成果对学界乃至工业界的重要影响。

说到这项成果对于钙钛矿的工业化进程的启示，杨阳老师认为：

“对钙钛矿的工业化进程而言，稳定性问题一直是限制其商业化的最大阻碍。我们所研发的这一简单的策略有效提升了钙钛矿太阳能电池的连续光照稳定性，这为发展更加有效的稳定钙钛矿的策略带来了新的启发。”

对于如何在这样延续已久的“通法”之中延申出了这样的发现，杨阳老师分享道：

“有机铵盐表面处理是提升钙钛矿太阳能电池光电转换效率的有效手段，但是研究人员大多数把目光聚焦在如苯乙铵，辛铵，油铵等阳离子上，阴离子大多选择卤素离子而未被广泛关注。我们选择另辟蹊径，研究发现这些阴离子的作用并不可以被忽略，反而会造成表面功函的负偏移，使得表面形成电荷积累，从而对钙钛矿太阳能电池的长期稳定造成不良影响。因此我们设计了一系列有机阴离子，处理过后的钙钛矿表面功函并没有明显改变，实现了超过24.4%的光电转换效率，并且经过连续光照2000小时的加速测试后，仍然保持着超过87%的原始转换效率。”

其中的具体细节如何、杨阳老师又对这项成果的应用抱有怎样的愿景？接下来，我们将在文中一一为大家说明。

三、【论文掠影】

图1 钙钛矿表面和异质结界面动力学 © 2022 Springer Nature

(a, b) 通过紫外光电子能谱研究不同界面处理后的钙钛矿表面功函数的变化。

(c-e) c.未处理的钙钛矿薄膜的KPFM图；d. OAI处理后的钙钛矿薄膜的KPFM图，颜色变黄表明功函数变低；e. OATsO处理后的钙钛矿薄膜的KPFM图，颜色变蓝表明功函数增加。

(g) 处理前后薄膜粗糙度没有明显改变。

(f) c-e图的功函数统计分布。

(h, i) 光照开路电压下OATsO和OAI处理后钙钛矿器件的KPFM截面测试。蓝色部分凸起表明钙钛矿和氧化锡界面有存在空穴积累，并且在OAI处理器件的钙钛矿和sprio界面发现了非常明显的电子积累。一个理想的光伏器件应该具有均匀的电场分布，在其异质结上没有电荷积累。

图2 载流子动力学，器件性能和光稳定性 © 2022 Springer Nature

(a, b) 不同界面处理后的玻璃/钙钛矿薄膜的稳态发光光谱(a)和时间分辨发光光谱(b)。

(c, d)  不同界面处理后的玻璃/钙钛矿/sprio薄膜的稳态发光光谱(a)和时间分辨发光光谱(b)。

(e) 器件效率统计分布图。

(f-g) 器件光稳定性测试。

图3  器件的老化分析 © 2022 Springer Nature

(a, b) 光照老化后钙钛矿器件的STEM截面图。(a) OAI处理；(b) OATsO处理。

(c-f)  Br和I元素的截面mapping，表明OAI处理后的器件发生了Br和I的转移。

(g-j) c-f对应的元素分布曲线。

图4  机理分析—界面钝化加剧离子迁移导致器件恶化 © 2022 Springer Nature

研究团队系统地研究了通过钝化手段改变异质结界面能量后对器件的载流子提取、缺陷态钝化、电荷积累和离子迁移的影响。钝化手段会在钙钛矿表面引入一个负的功函数变化，导致电荷在界面积累，降低了钙钛矿卤化物离子迁移的活化能，从而限制了器件的稳定性。

四、【前景展望】

“我觉得尽管目前钙钛矿的稳定性与硅太阳能电池相比还有着一定的差距，但是由于钙钛矿太阳能电池的相对制备成本较低，目前商业化的前景还比较好”，杨阳老师和我们分享道，“如果钙钛矿太阳能电池想真正地走向市场，那么需要从根本上探索导致钙钛矿不稳定的因素，对症下药，实现可以与硅太阳能电池相媲美的稳定性。经过了超过了十年的研究，我们在钙钛矿的领域也逐渐了解到稳定性的基本问题的所在，所以大家可以集中精神，集中火力的来解决这些问题。因此我认为现在钙钛矿离商业化的距离比以前更近了。”

五、【杨阳、王睿课题组介绍】

杨阳教授现为美国加州大学洛杉矶分校工学院材料系Carol and Lawrence E. Tannas Jr. 讲座教授。在半导体材料与器件方面有着20余年的研究经验，创造了该领域的多项世界纪录。主要研究方向是太阳能及高效能电子器件，在可溶液加工石墨烯，有机光伏, 量子点，CIGS和钙钛矿太阳能电池等领域做出了杰出的贡献。目前课题组具有世界顶尖的有机太阳能电池，钙钛矿太阳能电池，钙钛矿发光二极管，生物传感器，薄膜晶体管的研究团队和实验设备。课题组在Nature, Science, Nat. Mater., Nat. Photon., Nat. Nanotech., Nat. Commun., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater. 等著名学术期刊上发表论文500余篇, 所发表论文被引用超过13万次，H-index 为169。

王睿教授博士就读于加州大学洛杉矶分校，师从太阳能电池专家杨阳教授，随后在加州大学洛杉矶分校继续从事博士后研究工作。于2021年4月全职加入西湖大学工学院任研究员。王睿博士长期从事第三代太阳能电池的研究工作，作为主要团队成员两次打破有机太阳能电池世界纪录。并且多次在钙钛矿电池稳定性方面做出很多重要突破性成果，其工作以第一/通讯作者身份在Nature, Science（2篇）, Nature Photonics, Joule, Advanced Materials, JACS, Matter, Nano Letters 等旗舰杂志发表论文 21 篇。所发表论文被引用超过3500次，H-index 为28。于2021年入选福布斯中国30岁以下30人榜单

文献链接： Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics. Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04604-5.