用于高性能钙钛矿太阳能电池的原位无机钝化策略

有机分子钝化层存在界面结合弱、易受环境因素降解的问题，而无机钝化层因强化学键合和自稳定特性成为研究热点。本研究通过在位反应将铵盐铬酸盐与钙钛矿层反应生成Pb-O-Cr无机钝化层，有效抑制了Pb²⁺缺陷并形成强界面结合，使叠层电池效率提升至26.3%，且在光照2750小时后仍保持91%初始效率。

杨贵|辛毅绍|董尔金|青贵莉|季伟刘|卡纳尔·德格尔|李立兵|徐家哲|孙静毅|孙增毅|李润达|罗一欣|彭子轩|沈家辉|徐明胜|伊尔汉·亚武兹|王瑞|杨德仁|薛静静

中国浙江省杭州市浙江大学硅与先进半导体材料国家重点实验室及材料科学与工程学院，邮编310058

摘要

有机分子被广泛用于高性能钙钛矿太阳能电池中的缺陷钝化。然而，有机钝化层在层内以及与钙钛矿界面之间的相互作用较弱，这使得它们容易受到热、湿气或光的影响而降解，从而加速钙钛矿的分解并损害器件的稳定性。相比之下，无机钝化层具有固有的化学稳定性，并能形成更强的界面键，防止水分和氧的侵入。在本研究中，通过铬酸铵与钙钛矿层之间的原位反应，建立了一种无机钝化策略，形成了坚固耐用的Pb–O–Cr无机界面层。界面处的强化学键有效抑制了钙钛矿在运行条件下的降解。因此，采用这种无机钝化的倒置钙钛矿太阳能电池实现了26.3%的功率转换效率。值得注意的是，在连续光照2750小时（AM 1.5G）后，这些器件的效率仍保持在初始值的91%以上。

引言

钝化显著提高了钙钛矿的质量、载流子提取效率以及整个太阳能电池的效率。^1,2现有的钝化策略已将钙钛矿太阳能电池（PSC）的效率提升至27%；然而，稳定性仍是实现商业化的关键瓶颈。^3,4,5,6,7金属卤化物钙钛矿的钝化策略通常使用含有羰基、巯基、磺酰基、胺基和脒基等特征官能团的聚合物或小分子有机修饰剂。^8,9,10不幸的是，这些有机钝化层本质上较为脆弱，在暴露于湿气、氧气、热量和紫外线辐射时会分解，并且与钙钛矿形成的键相对较弱。¹¹此外，它们的分解产物可能会渗透到钙钛矿层中，加剧材料的不稳定性。^12,13因此，开发先进的钝化策略、实现钝化层的自我稳定以及增强界面相互作用对于提高PSC的效率和长期稳定性至关重要。无机钝化作为一种可行的策略，已被证明能够稳定钙钛矿材料。与有机钝化剂不同，无机材料能形成强离子键或共价键，使其更耐分解和化学降解。¹⁴这种无机钝化层与钙钛矿之间的强相互作用防止了不希望的离子迁移，同时保护钙钛矿免受水分和氧的侵入。^15,16,17,18这种方法类似于在硅太阳能电池中使用二氧化硅钝化层。¹⁹已经探索了一些无机钝化策略，包括使用硫酸铅、钨酸铅和草酸铅来提高PSC的稳定性和性能。^15,16,18然而，由于无机钝化反应的高反应性，精确有效地控制无机钝化层的形成仍然是一个具有挑战性的任务。

在本研究中，使用铬酸铵在钙钛矿界面诱导原位反应，形成了Pb–O–Cr无机钝化层。这种钝化有效地缓解了缺配位的Pb^2⁺缺陷，显著提高了钙钛矿层的稳定性。此外，钝化层改变了钙钛矿表面的费米能级，使其趋向于n型特性，从而促进了电子的提取。因此，优化的钙钛矿/电子传输层（ETL）界面实现了26.3%的出色功率转换效率（PCE），超过了对照器件（24.7%）。此外，一个面积为20.8 cm²的大面积模块在35°C ± 5°C的连续单太阳光照下，经过2750小时的最大功率点（MPP）跟踪后，PCE仅下降了9%。这些结果表明，坚固稳定的钝化策略在推动高性能PSC的设计和寿命方面起着关键作用。

部分内容摘录

原位无机钝化策略的机理分析

图1A示意性地展示了铬酸铵参与的原位无机钝化机制在钙钛矿表面的作用。无机钝化层通过离子Pb–O–Cr键合与钙钛矿晶格形成了牢固的界面连接。X射线光电子能谱（XPS）显示，对照样品中没有Cr信号，而在目标样品中检测到577.2和587.0 eV处的Cr 2p峰，证实了Cr在表面的沉积（图1B）。

讨论

总之，本研究证明了一种原位反应在钙钛矿薄膜表面形成Pb–O–Cr无机层的方法。Pb–O–Cr结构的形成有效钝化了钙钛矿表面上的欠配位Pb²⁺位点，从而降低了整体缺陷密度。因此，小面积电池和大面积模块的PCE分别达到了26.3%和21.6%。更重要的是，该无机层起到了屏障作用，

方法

详细方法请参见补充信息。

联系人

如需进一步信息和资源，请联系联系人薛静静（[e-mail]）。

材料可用性

本研究未生成新的独特试剂。

数据和代码的可用性

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  本研究未生成或分析数据集或代码。
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  评估研究结论所需的所有数据均包含在论文或补充信息中。
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  所有数据可在合理请求下从相应作者处获得。

致谢

薛杰感谢浙江省自然科学基金（编号：LR24F040001和DG25E020001）、国家自然科学基金（编号：62274146）、青年教师科研创新能力支持项目（SRICSPYF-ZY2025093）、中央指导地方科技发展项目（2025ZY01012）以及中央高校基本科研业务费的支持。

作者贡献

Y.G.参与了创意、器件和薄膜制备、分析以及论文撰写。C.D.和I.Y.参与了模拟计算。X.S.、Y.L.、Z.S.和Z.P.协助进行了钙钛矿薄膜的光电特性研究。D.J.进行了XPS和UPS测量。Q.L.负责大面积模块的制备。J.L.和R.L.进行了AES测量。L.Y.、J. Xu和J. Sun参与了手稿和图形的修改。J. Shen提供了指导。

利益声明

作者声明没有利益冲突。