基於純相二維(2D)鈣鈦礦形成均質鈍化層對於鈣鈦礦太陽能電池來說是一個挑戰，尤其是在將器件升級為模組時。本文揭示了在三維鈣鈦礦之上生長的2D鈣鈦礦的鏈長相關和鹵化物相關的相分離問題。
鑑於此，卜童樂教授、程一兵院士、黃福志教授、麥立強教授證明，用長鏈 ( >10) 烷基胺配體鹽中的甲脒溴化物處理鈣鈦礦層後可以形成均質的 2D 鈣鈦礦鈍化層。對於無反溶劑處理的小尺寸 (0.14 cm 2) 和大尺寸 (1.04 cm 2) 器件和微型模組 (13.44 cm 2)，研究人員分別實現了 25.61%、24.62% 和 23.60% 的最高有源面積效率。該鈍化策略與印刷技術相容，使面積為 310 cm2 和 802 cm2 的全槽模印刷大型太陽能模組的孔徑面積效率分別達到 18.90% 和 17.59%，證明了擴大製造的可行性。相關研究成果以題為“Homogeneous coverage of the low-dimensional perovskite passivation layer for formamidinium–caesium perovskite solar modules”發表在最新一期《Nature Energy》上。
值得一提的是，卜童樂教授，1993年2月出生，武漢理工大學材料複合新技術國家重點實驗室研究員,博士生導師，國家自然科學基金優秀青年科學基金獲得者。武漢理工大學本碩博，2020年11月在日本沖繩科學技術大學院大學做博士後，2022年3月受聘武漢理工大學材料複合新技術國家重點實驗室任研究員。
從2021年至今，他已發表一篇Science，兩篇Nature Energy。擔任《Acta Physico-Chimica Sinica》、《eScience》等期刊青年編委。
【二維鈣鈦礦中的相分離和抑制】
研究發現，較短的鏈配體往往會增加 2D 鈣鈦礦內的相分離，導致 3D 層上的形態不均勻和覆蓋不均勻。透過光致發光（PL）測量，研究人員觀察到與二維鈣鈦礦中不同相相關的不同發射峰。透過選擇長鏈配體，特別是與甲脒鹵化物結合時，可以最大限度地減少這些問題。值得注意的是，FABr 被證明可以形成穩定的純相層，而不會出現不需要的鹵化物相分離，這是實現均勻鈍化的重要發現。圖 1a 展示了使用的 2D 配體的化學結構，其中描繪了不同的鹵化物和鏈長度。具有鈍化層的PSC層狀結構的示意圖如圖1b所示。PL 光譜（圖1c-e）顯示不同的鹵化物成分如何導致不同的 PL 發射峰，揭示具有較短鏈或特定鹵化物選擇的結構中的相分離。DFT 計算（圖 1f-h）顯示了生成焓，說明了三鹵化物組合物特別有效，顯示出降低的形成熱函和改善的相穩定性。
圖 1. 用於可擴充套件太陽能模組的二維鈣鈦礦相組成工程
【均質化二維相構建機制】
如原位PL和GIWAXS分析所示（圖2a-d），在旋塗過程中，FABr/DABr形成的2D層明顯比其他處理更快且更均勻。SEM影象（圖2e）顯示FABr處理的樣品具有更光滑的表面形態，缺陷更少，突出了這種方法在覆蓋缺陷方面的關鍵優勢。研究人員得出結論，FABr可以更有效地填充離子空位，從而穩定該層。圖2f中的自組裝示意圖概述了該機制：FABr與DABr結合形成純相n=2結構，減少表面缺陷並增強3D和2D層之間電荷轉移介面的均勻性。
圖 2. 均質二維相結構的生長動力學和形成機制
【最佳化鈍化效果】
AFM和KPFM影象（圖3a-d）證實，混合FABr/DABr處理可產生更光滑的表面，潛在波動最小，這意味著更均勻的電子環境。共焦PL對映（圖3e）顯示，經過處理的薄膜表現出更長的光致發光壽命，晶界處載流子壽命更長。空間電荷限制電流(SCLC)測量（圖3f），FABr處理層中的陷阱密度（缺陷位點）顯著降低，從而提高了載流子遷移率。最後，LED光照射下的原位PL測量表明，FABr/DABr處理層保持穩定，並更長時間地保持其PL強度，證明純相n=2二維層對熱應力和光子應力具有魯棒性。
圖 3. 均質表面形態和缺陷鈍化
【增強光伏效能】
圖4顯示了各種器件尺寸的J-V特性，說明了FABr/DABr處理如何提高光伏效能。用不同鈍化劑處理的小型器件的J-V曲線，其中FABr/DABr處理的器件表現出更高的開路電壓(VOC)（圖4a）。大型器件和微型模組的J-V和EQE曲線（圖4b-c），實現25.61%的峰值PCE和隨時間推移的穩定效率,大面積器件和微型模組實現了出色的效率，與較小的電池相比，效率損失最小，表明該方法的可擴充套件性。外量子效率(EQE)測量顯示出高且一致的光子到電子轉換率。穩定性測試進一步證實了這些裝置的耐用性，FABr/DABr改性模組在連續照明超過2000小時後仍保留了約88%的初始效率（圖4d-e）。
圖 4. 光伏效能和穩定性鑑定
【可擴充套件印刷大面積模組】
作者概述的狹縫模頭印刷工藝（圖5）證明了該方法對於大面積PSM的可行性。印刷的20cm×20cm和30cm×30cm模組實現了具有競爭力的效率，並且因縮放而導致的效率下降最小。該工藝透過最佳化圖案層（P1、P2、P3）的鐳射劃片實現了高几何填充因子（~96%）。大型模組（20cm×20cm和30cm×30cm）的J-V曲線，分別實現18.90%和17.59%的效率。總的來說，FABr/DABr處理的2D層的均勻性使其能夠一致地應用於大表面積，標誌著高效鈣鈦礦模組的商業化生產邁出了重要一步。
圖 5. 可擴充套件的大面積印刷模組
【總結】
本文的研究結果表明，在用長鏈烷基胺對3D鈣鈦礦進行後處理時引入FABr可實現均勻、穩定和高效的2D鈍化層，從而減輕相分離問題。這種最佳化的鈍化技術提高了光伏效率，降低了缺陷密度，並增強了所得PSM的熱穩定性和光子穩定性。該研究強調了這種方法的可擴充套件性，可以在不同的模組尺寸上實現高效率，並展示商業規模生產的潛力。透過保持結構和形態的均勻性，該處理使鈣鈦礦太陽能技術更接近市場準備。
來源：高分子科學前沿
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