西安交大苏进展ACS新作：面晶体重构Voc超1.37V，空穴提取大提升

主要内容

在无空穴传输层的碳基体系中，碳电极与钙钛矿层界面处的界面电荷复合，是制约器件性能提升的关键因素。当前，主流策略是通过添加配体或钝化剂来改善薄膜质量。然而，由于碳电极沉积工艺需进行热处理，传统空穴传输层材料（如Spiro - OMeTAD）的应用受到极大限制，导致碳 - 钙钛矿界面的空穴提取效率始终难以提高。

01

HIRS 策略的提出与初步成效

在此背景下，西安交通大学苏进展教授带领其团队开展深入研究，提出了一种原位再退火策略（HIRS）。该策略巧妙利用材料的热稳定性，有效提高了全无机 CsPbIBr₂ 太阳能电池的界面空穴提取效率。具体而言，再退火过程能够将受潮侵蚀后形成的 δ 相钙钛矿层重新转变为 α 相，且这种相变使得钙钛矿层与碳层之间的化学接触更为紧密。研究发现，碳电极中的石墨成分在再退火过程中有效参与了界面缺陷的修复，实现了钙钛矿 - 碳界面的“自钝化”。经再退火处理后，电池的光电转换效率（PCE）从 9.21%大幅提升至 11.92%，开路电压（Voc）高达 1.37 V，同时电池的耐湿性也得到显著增强。

02

HIRS 策略的深入探究与作用机制

进一步研究表明，热原位再退火策略（HIRS）在效率和（尤其是开路电压 Voc）稳定性方面均显著提升了器件性能。团队利用 X 射线衍射（XRD）分析和碳蒸发（VC，通过特定加热方式使碳材料蒸发沉积的技术）技术发现，水分在薄膜相变过程中起着关键作用，它能诱导薄膜发生从 α 相到 δ 相的转变，而这为后续再退火过程中碳 - 钙钛矿界面的修复奠定了基础。

在 HIRS 处理过程中，石墨的 π 电子与钙钛矿中配位不足的 Pb²⁺发生相互作用，成功实现了界面缺陷的钝化。拉曼光谱通过检测分子振动模式的变化，能够反映材料内部化学键和晶体结构的信息；X 射线光电子能谱（XPS）可分析材料表面元素的化学状态和电子结构；傅里叶变换红外光谱（FTIR）则能识别材料中的化学官能团。这三种光谱技术的结果均有力证实了石墨与钙钛矿中 Pb²⁺相互作用导致的界面缺陷钝化效应。

缺陷态的减少显著抑制了界面处的非辐射复合，有助于实现更大的准费米能级分裂，进而提高了 Voc。此外，时间分辨光致发光（TRPL）数据显示，经 HIRS 处理的钙钛矿薄膜的光致发光（PL）寿命显著延长。结合无电子传输层（ETL）器件的 PL/TRPL 测量结果，这表明 HIRS 主要通过降低表面缺陷密度来抑制复合，为观察到的 Voc 提升提供了坚实的动力学依据。C - Pb 键合在钝化钙钛矿薄膜表面的同时，改变了钙钛矿表面的电子分布，形成了一个有利于空穴传输的通道，从而提高了空穴提取速率。同时，这种键合作用调整了电子和空穴在界面处的迁移速率，部分补偿了原本电子 - 空穴迁移速率的不匹配，减少了电荷在界面处的积累。

03

HIRS 策略的意义与展望

总之，西安交通大学苏进展教授团队提出的 HIRS 策略，为理解钙钛矿 - 碳电极界面的钝化与修复提供了全新的见解，并充分证明了其在提升无空穴传输层碳基 CsPbIBr₂ 器件性能方面具有高度的可重复性和可行性。这一创新策略不仅为当前无空穴传输层碳基体系的发展提供了关键解决方案，更有望推动钙钛矿太阳能电池向更高效率、更稳定的方向迈进，在新能源领域引发新的变革。

文献信息

Improved Hole Extraction in Carbon-Based CsPbIBr2 Perovskite Solar Cells through Interface Crystalline Reconstruction for High Open-Circuit Voltages over 1.37 V

Sheng Yang，Yukai Liu，Luning Li，Weidong Zhu，Jinzhan Su

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c09014