專訪：鈣鈦礦太陽電池界面鈍化的通法也可能是穩定性殺手！

一、【導讀】

經過十多年的發展，界面鈍化已經成為提升鈣鈦礦太陽能電池性能以及穩定性的常規手段。然而，界面鈍化真的就是確保鈣鈦礦新寵性能提升的“通法”嗎？截止目前，這種界面改變對鈣鈦礦太陽能電池性能帶來的利弊權衡關系還沒有引起學術界的足夠重視。近日，蔚山國立科學技術研究所Sang Il Seok和Nam-Gyu Park以及加州大學洛杉磯分校楊陽等人在Science發表的一篇綜述（10.1126/science.abj1186）中就指出：界面的鈍化處理也會引起鈣鈦礦與頂部電荷傳輸層之間的異質結界面能量和載流子動力學的變化。

針對上述問題，2022年3月15日，Nature雜志在線刊發了來自UCLA楊陽、西湖大學王睿和成均館大學Jin-Wook Lee等人組成的國際聯合團隊的最新研究，即異質界面的鈍化對鈣鈦礦太陽能電池性能和穩定性的影響(Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics)。作者發現表面鈍化處理可能誘發鈣鈦礦表面功函數的轉變，從而激活鹵化物遷移，加劇PSC的不穩定性。因此，盡管表面鈍化有好處，但這種有害的副作用限制了以這些方式處理的PSC所能達到的最大穩定性改善。這種有利和不利影響之間的權衡應指導進一步通過表面處理改善PSC穩定性的工作。

掃碼直達原文

二、【強烈反響】

這篇論文上線不到9天，就被國際科技媒體報道了多達19次，其Altmetric指數已經高達158，可見這項成果對學界乃至工業界的重要影響。

說到這項成果對于鈣鈦礦的工業化進程的啟示，楊陽老師認為：

“對鈣鈦礦的工業化進程而言，穩定性問題一直是限制其商業化的最大阻礙。我們所研發的這一簡單的策略有效提升了鈣鈦礦太陽能電池的連續光照穩定性，這為發展更加有效的穩定鈣鈦礦的策略帶來了新的啟發。”

對于如何在這樣延續已久的“通法”之中延申出了這樣的發現，楊陽老師分享道：

“有機銨鹽表面處理是提升鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率的有效手段，但是研究人員大多數把目光聚焦在如苯乙銨，辛銨，油銨等陽離子上，陰離子大多選擇鹵素離子而未被廣泛關注。我們選擇另辟蹊徑，研究發現這些陰離子的作用并不可以被忽略，反而會造成表面功函的負偏移，使得表面形成電荷積累，從而對鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定造成不良影響。因此我們設計了一系列有機陰離子，處理過后的鈣鈦礦表面功函并沒有明顯改變，實現了超過24.4%的光電轉換效率，并且經過連續光照2000小時的加速測試后，仍然保持著超過87%的原始轉換效率。”

其中的具體細節如何、楊陽老師又對這項成果的應用抱有怎樣的愿景？接下來，我們將在文中一一為大家說明。

三、【論文掠影】

圖1?鈣鈦礦表面和異質結界面動力學 ??2022 Springer Nature

(a, b) 通過紫外光電子能譜研究不同界面處理后的鈣鈦礦表面功函數的變化。

(c-e) c.未處理的鈣鈦礦薄膜的KPFM圖；d. OAI處理后的鈣鈦礦薄膜的KPFM圖，顏色變黃表明功函數變低；e. OATsO處理后的鈣鈦礦薄膜的KPFM圖，顏色變藍表明功函數增加。

(g) 處理前后薄膜粗糙度沒有明顯改變。

(f) c-e圖的功函數統計分布。

(h, i) 光照開路電壓下OATsO和OAI處理后鈣鈦礦器件的KPFM截面測試。藍色部分凸起表明鈣鈦礦和氧化錫界面有存在空穴積累，并且在OAI處理器件的鈣鈦礦和sprio界面發現了非常明顯的電子積累。一個理想的光伏器件應該具有均勻的電場分布，在其異質結上沒有電荷積累。

圖2 載流子動力學，器件性能和光穩定性???2022 Springer Nature

(a, b) 不同界面處理后的玻璃/鈣鈦礦薄膜的穩態發光光譜(a)和時間分辨發光光譜(b)。

(c, d) ?不同界面處理后的玻璃/鈣鈦礦/sprio薄膜的穩態發光光譜(a)和時間分辨發光光譜(b)。

(e) 器件效率統計分布圖。

(f-g) 器件光穩定性測試。

圖3 ?器件的老化分析???2022 Springer Nature

(a, b) 光照老化后鈣鈦礦器件的STEM截面圖。(a) OAI處理；(b) OATsO處理。

(c-f) ?Br和I元素的截面mapping，表明OAI處理后的器件發生了Br和I的轉移。

(g-j) c-f對應的元素分布曲線。

圖4 ?機理分析—界面鈍化加劇離子遷移導致器件惡化???2022 Springer Nature

研究團隊系統地研究了通過鈍化手段改變異質結界面能量后對器件的載流子提取、缺陷態鈍化、電荷積累和離子遷移的影響。鈍化手段會在鈣鈦礦表面引入一個負的功函數變化，導致電荷在界面積累，降低了鈣鈦礦鹵化物離子遷移的活化能，從而限制了器件的穩定性。

四、【前景展望】

“我覺得盡管目前鈣鈦礦的穩定性與硅太陽能電池相比還有著一定的差距，但是由于鈣鈦礦太陽能電池的相對制備成本較低，目前商業化的前景還比較好”，楊陽老師和我們分享道，“如果鈣鈦礦太陽能電池想真正地走向市場，那么需要從根本上探索導致鈣鈦礦不穩定的因素，對癥下藥，實現可以與硅太陽能電池相媲美的穩定性。經過了超過了十年的研究，我們在鈣鈦礦的領域也逐漸了解到穩定性的基本問題的所在，所以大家可以集中精神，集中火力的來解決這些問題。因此我認為現在鈣鈦礦離商業化的距離比以前更近了。”

五、【楊陽、王睿課題組介紹】

楊陽教授現為美國加州大學洛杉磯分校工學院材料系Carol and Lawrence E. Tannas Jr. 講座教授。在半導體材料與器件方面有著20余年的研究經驗，創造了該領域的多項世界紀錄。主要研究方向是太陽能及高效能電子器件，在可溶液加工石墨烯，有機光伏, 量子點，CIGS和鈣鈦礦太陽能電池等領域做出了杰出的貢獻。目前課題組具有世界頂尖的有機太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池，鈣鈦礦發光二極管，生物傳感器，薄膜晶體管的研究團隊和實驗設備。課題組在Nature, Science, Nat. Mater., Nat. Photon., Nat. Nanotech., Nat. Commun., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater. 等著名學術期刊上發表論文500余篇, 所發表論文被引用超過13萬次，H-index 為169。

王睿教授博士就讀于加州大學洛杉磯分校，師從太陽能電池專家楊陽教授，隨后在加州大學洛杉磯分校繼續從事博士后研究工作。于2021年4月全職加入西湖大學工學院任研究員。王睿博士長期從事第三代太陽能電池的研究工作，作為主要團隊成員兩次打破有機太陽能電池世界紀錄。并且多次在鈣鈦礦電池穩定性方面做出很多重要突破性成果，其工作以第一/通訊作者身份在Nature, Science（2篇）, Nature Photonics, Joule, Advanced Materials, JACS, Matter, Nano Letters 等旗艦雜志發表論文 21 篇。所發表論文被引用超過3500次，H-index 為28。于2021年入選福布斯中國30歲以下30人榜單

文獻鏈接：?Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics.?Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04604-5.