研究背景与挑战

钙钛矿/C60 接口的严重电荷复合现象是制约钙钛矿太阳能电池性能提升的关键瓶颈。此问题主要源于两个机制：

1.       C60 与钙钛矿导带底 (CBM) 间的能量偏移直接限制了器件的开路电压 (Voc)

2.       C60 诱发的高陷阱态密度 (Nt) 导致 Voc 呈对数式衰减。

目前常用的接口钝化材料如 LiF 或 PEAI 虽可缓解此问题，但存在明显局限性：制备重现性不佳、试错成本偏高，且在高填充密度条件下难以实现均匀表面覆盖。

研究团队

本研究由香港中文大学 Martin Stolterfoht 教授与华东理工大学吴永真（Yongzhen Wu）教授共同主导。研究团队与德国多所院校合作，包括波茨坦大学、柏林洪堡大学，以及弗赖堡大学等机构。

该成果已发表于 ACS Energy Letters 期刊。研究团队成功开发出新型挥发性介电层材料 BA-8FH，有效解决了钙钛矿/C60 接口的电荷复合难题，显著提升了器件效率和操作稳定性。

重点研究成果与发现

Fig2ab: 直接呈现了光致发光量子效率 (PLQY) 的测量结果，这是一个衡量非辐射复合损失的关键指标

1.       创新材料设计：研究成功开发新型挥发性介电层材料 BA-8FH (1,6-bis(acryloyloxy)-2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorohexane)，用于钙钛矿/C60 界面优化。BA-8FH 具有低沸点特性 (约90°C)，在钙钛矿退火过程 (100°C) 中大部分材料挥发，最终形成约8 ? 的功能性单层。其含氟官能基团有效降低接口复合，同时挥发性特性提供极宽的制备窗口 (1-200 mg/mL)，实现高重现性。

2.       非辐射复合抑制效果：光致发光量子效率 (PLQY) 测量显示，控制组钙钛矿/C60 样品的PLQY 从5.2%剧降至0.19%，而BA-8FH 处理样品维持在5.3%，证实C60 诱导的非辐射复合已被有效消除。准费米能级劈裂 (QFLS) 分析进一步确认此结果：控制组损失86 mV，BA-8FH 样品几乎无损失，理想因子由1.61 改善至1.45。

3.       器件性能：BA-8FH 处理的器件实现24.68%的功率转换效率 (PCE)，开路电压1.206 V，短路电流密度24.69 mA/cm2，填充因子83.14%。第三方认证效率达24.07%，开路电压1.22 V。对于1.58 eV 带隙的钙钛矿，非辐射电压损失仅87 mV，开路电压达热力学极限的94%。

4.       载流子动力学优化：瞬态表面光电压 (tr-SPV) 测量显示，BA-8FH 处理的HTL/钙钛矿样品展现更快的信号响应和更大的SPV 振幅，表明非辐射复合损失显著减少。然而，在完整器件结构中，BA-8FH 实际上会减缓电子向C60 的传输速率。研究证实，抑制接口复合所带来的载流子寿命延长效应远比加速电子传输更为关键。二维光电模拟验证了实验结果，强调介电层完整覆盖的重要性——「针孔」缺陷会显著影响器件的填充因子和开路电压。

5.       长期稳定性提升：在AM 1.5 连续光照、40%相对湿度、40°C 条件下进行最大功率点追踪测试，BA-8FH 器件在1200小时后仍保持90%初始性能，明显优于控制组的80%。不同BA-8FH 浓度的器件展现相似的稳定性，验证了材料设计的可靠性。

6.       表面表征验证 SEM：分析确认BA-8FH 不改变钙钛矿表面形貌，XPS 光谱证实BA-8FH 在钙钛矿表面形成均匀单层，F 1s、C 1s 和Pb 4f 高分辨谱进一步验证了接口修饰的有效性。

实验步骤与过程

Figure1b

钙钛矿溶液制备:配制三阳离子钙钛矿前驱体溶液，成分为Cs?.??(MA?.??FA?.??)?.??Pb(I?.??Br?.??)?。

薄膜制备与界面修饰:采用旋涂工艺制备钙钛矿薄膜并进行热退火。随后将不同浓度(1-200 mg/mL)的BA-8FH溶液旋涂于钙钛矿表面，在100°C下短时退火使大部分BA-8FH挥发，形成约8 ?厚的功能性单层。

电极制备：在真空环境下依序蒸镀C60电子传输层(30 nm)、BCP缓冲层(8 nm)和铜电极(100 nm)，完成器件组装。

性能表征：测量电流-电压(J-V)特性曲线，提取功率转换效率(PCE)、开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)等关键参数。

界面复合分析：透过光致发光量子效率(PLQY)测量和准费米能级劈裂(QFLS)计算，量化BA-8FH对界面非辐射复合的抑制效果。

载流子动力学研究：利用瞬态表面光电压(tr-SPV)测量探讨载流子在钙钛矿/C60接口的提取和复合动力学，结合瞬态吸收光谱(TAS)进一步分析载流子动态过程。

理论模拟验证：建立二维光电模拟模型，分析BA-8FH层覆盖均匀性和能量对准对器件Voc和FF的影响，解释实验现象。

稳定性测试：对封装器件进行持续光照下的最大功率点追踪测试，评估其在特定湿度和温度条件下的长期运行稳定性。

表征手法与过程

PLQY 与 QFLS 分析

使用520 nm CW雷射作为激发源，通过积分球系统测量绝对光致发光。雷射强度调整至1 sun等效强度，使短路电流密度与太阳模拟器下的Jsc匹配。准费米能级分裂（QFLS）根据公式QFLS = (Vth) ln (PLQY × JG / J0,rad)计算，其中J0,rad为6.9 × 10?2? A/m2。

BA-8FH对纯钙钛矿薄膜的钝化效果微乎其微，石英/钙钛矿样品的PLQY在处理前后相似（13.6% vs 15.7%）。HTL/钙钛矿样品亦展现类似趋势，QFLS差异仅7 meV。然而，引入C60后差异显著放大。对照组「p-i-n」样品（HTL/钙钛矿/C60）的PLQY从5.2%剧降至0.19%，造成86 mV的QFLS损失，证实钙钛矿/C60接口存在严重非辐射复合。

BA-8FH处理的「p-i-n」样品PLQY维持在5.3%，与对照组HTL样品（5.2%）基本相同，有力证明BA-8FH成功消除了C60引起的非辐射复合。

图2a： 展示不同样品结构的PLQY和QFLS比较，突显BA-8FH对C60诱导损失的抑制效果。

图2b： 可视化不同样品中电压损失的贡献分析，显示BA-8FH如何减少接口复合损失。

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电流-电压（J-V）曲线

在标准AM 1.5G照明条件下，使用太阳光模拟器提供100 mW cm?2光照，于25°C下以20 mV/s扫描速率测量，活性面积9 mm2，进行正向和反向扫描评估迟滞效应。

BA-8FH处理的器件在逆向扫描下实现24.7%的PCE，开路电压1.21 V，短路电流密度24.7 mA/cm2，填充因子83.1%。对照组器件PCE为22.0%（Voc 1.126 V，Jsc 24.6 mA/cm2，FF 80.1%）。第三方认证效率达24.07%（Voc 1.22 V，Jsc 23.4 mA/cm2，FF 84.4%）。扫描速率依赖性测量显示BA-8FH样品的离子损失更少，证实了更佳的接口质量。

图1b： 展示BA-8FH处理器件在不同浓度下的性能统计，显示在30-200 mg/mL范围内实现「饱和钝化」效果。

图5d： 对比控制组和BA-8FH处理器件的J-V曲线，显示Voc提升约80 mV，FF提升约3.5%。图5e： BA-8FH器件的第三方认证J-V曲线。

EQE 测量

测量外部量子效率，确定器件在不同波长光照下将入射光子转换为电子电流的效率。

BA-8FH处理器件的积分电流密度为23.7 mA/cm2，对照组为23.5 mA/cm2，这些数值与J-V曲线测得的Jsc在5%误差范围内匹配，验证了测量的一致性。从EQE数据计算出钙钛矿的辐射饱和电流密度J0,rad为6.9 × 10?2? A/m2，并确认带隙为1.58 eV。

图S19： 展示控制组和BA-8FH处理器件的EQE曲线及对应的积分电流密度比较。

图S3： 显示从EQE数据计算的J0,rad和带隙信息，内嵌图展示d(EQE)/dE与光子能量的关系，证实1.58 eV带隙。

EL 影像测量

施加等效AM1.5光生电流，使用CCD相机记录电致发光影像。

BA-8FH处理器件的发光强度为对照组的30倍（19 vs 0.6单位/像素），与Voc提升80 mV一致，证实非辐射复合有效抑制。

图2e： 展示有/无BA-8FH处理完整器件的电致发光映像图，直观显示发光强度的巨大差异。

UPS 与 XPS 测量

XPS在超高真空下测量，UPS使用21.22 eV氦灯分析能带排列。

XPS确认BA-8FH成功沉积：F 1s峰（688.3 eV）和C信号证实存在，Pb 4f/I 3d信号位移0.44 eV表明强烈相互作用，层厚约8 ?。UPS显示能级优化：钙钛矿/C60能级差从210 meV降至130 meV，改善80 meV。

图3a： 展示F 1s、C 1s和Pb 4f的高分辨率XPS光谱，证实BA-8FH存在和相互作用。

图3b： 显示钙钛矿/C60接口的能级图，展示BA-8FH如何改善能级对准。

瞬态光电压与瞬态光致发光测量 (tr-SPV/TPV and TRPL)

tr-SPV使用515 nm脉冲雷射追踪载流子动力学，TRPL测量复合寿命。

BA-8FH虽减缓电子至C60转移，但显著延长载流子寿命。纯钙钛矿SRH寿命2100 ns，加C60后降至95 ns，BA-8FH处理后维持1100 ns。复合抑制比加速转移更关键。

图4a-4d： 展示不同样品结构的tr-SPV和TRPL结果比较，说明BA-8FH对载流子动力学的影响。

瞬态吸收光谱测量 (TAS)

使用50 fs、530 nm泵浦脉冲，宽带白光探测载流子动态。

BA-8FH有效抑制信号淬灭：对照组漂白信号7 ns内从0.62衰减至0.35，BA-8FH样品信号恒定，证实接口复合抑制。

图S14-S15： 展示不同样品在730 nm处的归一化动力学和TAS曲线，证实BA-8FH对界面复合的抑制效果。

其他表征

SEM (Scanning Electron Microscope)

观察材料微观形态和表面结构。BA-8FH层极?。?/span><5 nm），两组样品晶粒尺寸和形态相似，表明BA-8FH不影响钙钛矿结晶。（图1a、图S2、图S5）

RPV (Resistance-dependent Photovoltage)

揭示载流子到达器件电极的时间。BA-8FH样品显示较慢的载流子提取时间，与tr-SPV结果一致。（图S13）

2D 模拟 (2D Simulations)

使用Sentaurus TCAD建立光电模拟模型，研究针孔对器件性能影响。即使存在针孔，当间距达20 nm时Voc不受损害，支持BA-8FH高覆盖率的重要性。（图3c、图3d、图S10-S11）

操作稳定性 (MPP Tracking)

在40%湿度、40°C环境下进行最大功率点追踪测试。BA-8FH器件1200小时后保持90%初始性能，对照组仅80%，证实减少非辐射复合提升运行稳定性。（图5g、图S20、图S26）

结论

研究成功开发出挥发性高密度分子中间层BA-8FH，有效解决了钙钛矿/C60接口长期存在的非辐射复合挑战，显著提升了倒置型钙钛矿太阳能电池的性能和操作稳定性。

关键成果

1. 非辐射复合有效抑制：BA-8FH形成极薄致密中间层（约0.8 nm单分子层），有效消除C60引起的非辐射界面复合损失。通过形成正偶极层优化能阶对齐，将钙钛矿/C60能量错位从210 meV降至130 meV，改善80 meV能量差异。其挥发性特性确保**>99%表面覆盖率**，防止载流子通过针孔区域流失。

2. 光电转换效率显著提升：BA-8FH处理器件实现24.7% PCE（认证24.1%），开路电压1.21 V，填充因子83.1%。相较对照组，PCE提升3.5%，Voc提升80 mV，FF提升3.5%。非辐射电压损失仅87 meV，达到1.58 eV带隙钙钛矿热力学极限的94%。

3. 操作稳定性大幅改善：在40%湿度、40°C环境下，BA-8FH器件经1200小时最大功率点追踪后保持90%初始性能，对照组仅80%，证实非辐射复合抑制与稳定性提升的直接关联。

4. 广泛适用性：BA-8FH适用于多种钙钛矿组成和能隙（1.54-1.77 eV），均观察到Voc和FF提升，展现作为通用接口层的巨大潜力。

文献参考自ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00615

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