北京航空航天大学殷鹏刚教授：埋底界面修饰策略显著降低钙钛矿太阳能电池开路电压损失，效率突破25.8%

埋底界面修饰策略显著降低钙钛矿太阳能电池开路电压损失，效率突破25.8%

题目：Buried interface modification for reduced open-circuit voltage loss in perovskite solar cells with efficiency exceeding 25.8%

作者信息：Weiwei Sun, Kexiang Wang, Weifeng Liu, Yansheng Sun, Yukun Gao, Tingting You, Hong Lian, Xiaofeng Huang, Shuanglong Wang, Penggang Yin

DOI:10.1002/cnl2.70042

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70042

第一作者：孙伟伟

通讯作者：殷鹏刚 尤汀汀 王双龙 廉鸿

单位：北京航空航天大学 香港中文大学 上海大学

研究背景

在“碳达峰、碳中和”目标的推动下，新能源技术的研究应用迅速发展。其中，光电转化技术备受关注，而作为第三代薄膜太阳能电池的钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率和低成本成为光伏领域的研究热点。在n-i-p型正式PSCs器件中，电子传输层（ETL）与钙钛矿（PVK）层之间的埋底界面对器件性能和稳定性具有重要影响。

SnO2因具有高透过率，高迁移率和良好的稳定性等优点，成为正式器件中最常用的ETL材料。然而无论使用哪种制备方式，其表面存在的氧空位（OV）和羟基（OOH）等缺陷会导致界面处严重的非辐射复合和能量损失，限制器件开路电压（VOC）和最终效率（PCE）的提升。钙钛矿的埋底界面（SnO2/钙钛矿界面）同时会影响钙钛矿的结晶过程，从而影响钙钛矿薄膜质量。埋底界面处的电荷提取和传输性能也对器件性能起着重要作用。为了减少底界面的缺陷态密度，调节钙钛矿结晶过程和界面处的传输性能，进行埋底界面修饰是十分必要的。尽管有一些方法用于解决埋底界面相关的问题，但埋底界面对于器件效率和稳定性的影响仍需进一步深入研究。因此，选择一种具有多功能特性的分子显得尤为重要。

成果介绍

北京航空航天大学联合香港中文、上海大学研究团队，通过向 CBD-SnO2/钙钛矿界面引入了一种多功能钝化剂三氟甲烷磺酸钾（TFSK），显著降低的器件的开路电压损失（Vloss）。TFSK 通过其磺酸基团（-SO3-）倾向于锚定在 SnO2 表面，有效钝化了 SnO2 表面的OV和 OOH。同时，TFSK 通过路易斯酸碱相互作用（S=O 基团与未配位的 Pb2+）和氢键相互作用（F-与甲脒阳离子），显著抑制了非辐射复合并加速了埋底界面的电荷传输。此外，TFSK 修饰促进PbI2膜形成疏松多孔的形态，有利于铵盐的渗透，从而促进充分反应形成高质量的 FAPbI3 薄膜。此外，K+调节钙钛矿的结晶度并向上扩散，减轻了 PSCs 的滞后现象。因此，在经过 TFSK 改性的 CBD-SnO2 上制备的钙钛矿薄膜表现出优异的薄膜质量和较少的残余 PbI2。基于 SnO2/TFSK 的 PSCs 实现了 25.82% 的最优 PCE，滞后现象可忽略不计，Vloss仅有0.341 V。此外，优化后的PSCs具有更好的存放、湿度和热稳定性。该成果以“Buried interface modification for reduced open-circuit voltage loss in perovskite solar cells with efficiency exceeding 25.8%”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1. TFSK分子有效钝化SnO2表面氧空位和羟基缺陷，改善了SnO2/钙钛矿的能级匹配。

2. TFSK诱导产生多孔PbI2薄膜，促进两步法制备钙钛矿过程中有机铵盐充分向下渗透，从而制备出高质量的钙钛矿薄膜。

3. TFSK中的-CF3与甲脒形成氢键(N-H…F)，-SO3-与未配位的Pb2+相互作用，钝化了钙钛矿埋底界面缺陷，抑制了非辐射复合。

本文要点

要点一

TFSK钝化SnO2表面缺陷，抑制底界面漏电流

图1：TFSK与SnO2作用的 XPS图谱、红外图、透过率和导电原子力图。

图1(a-c)展示了TFSK修饰后SnO2薄膜的XPS精细谱分析结果。图1(a-b)中S 2p、F 1s的特征峰证实了TFSK的成功锚定。图1c中Sn 3d3/2和Sn 3d5/2结合能分别从495.45 eV和487.05 eV移至495.35 eV和486.92 eV，这种结合能负移表明-SO3-基团中的O原子与Sn原子发生强相互作用，增加了Sn周围的电子密度。图1(d-e)的O 1s光谱分析揭示了缺陷钝化的直接证据。未修饰SnO2的O 1s谱可分解为晶格氧（OL，530.76 eV）和缺陷氧（OV+OOH，531.91 eV）两个组分，缺陷氧占比达51.15%。TFSK修饰后，O 1s谱出现第三个组分（-SO3-，532.88 eV），且缺陷氧比例显著降至37.82%，证实TFSK有效钝化了表面OV和OOH缺陷。图1f的FTIR光谱进一步提供了分子相互作用的证据：Sn-O-Sn特征峰从699.53 cm-1红移至688.20 cm-1，而S=O特征峰从1024.72 cm-1蓝移至1032.12 cm-1。图1g表明，TFSK修饰后在可见光范围内对TEL透过率无明显影响。通过对比表面导电性发现，TFSK修饰后，表面导电性略有降低。不导电分子TFSK轻微影响SnO2表面导电性，但是可以减少因化学浴制备的SnO2附着不充分而导致的FTO与钙钛矿的直接接触，从而减少埋底界面漏电流。

要点二

结晶调控和分子水平相互作用分析

图2：修饰前后PbI2形貌、钙钛矿膜形貌图以及修饰前后钙钛矿膜的XRD、UV-vis、PL、TRPL图谱。

图2a显示在未修饰SnO2上制备的PbI2薄膜呈现典型的致密结构，覆盖完整且晶粒尺寸较小。相比之下，图2d显示TFSK修饰后的PbI2薄膜呈现出显著的多孔疏松结构，这种结构变化源于TFSK与Pb²⁺之间的Lewis酸碱作用：S=O基团与未配位的Pb²⁺结合，改变了PbI2的成核动力学，降低了成核密度，从而形成了疏松多孔的结构。这种多孔结构对钙钛矿结晶过程产生了重要影响。图2b和2e分别展示了在未修饰和TFSK修饰基底上制备的钙钛矿薄膜表面形貌。可以明显观察到，TFSK样品（图2e）的钙钛矿晶粒尺寸显著增大，晶界数量减少，且表面更加平整。这种改善源于多孔PbI2结构为有机铵盐渗透提供了更多通道，促进了PbI2向钙钛矿相充分全转化。图2c和2f的底界面SEM图像进一步证实，TFSK修饰后的钙钛矿薄膜底界面未反应的PbI2减少。图2g的XRD图谱证实了结晶质量的提升：钙钛矿(001)晶面半高宽从0.15°减小到0.13°，同时残留PbI2特征峰（12.8°）强度显著降低。图2(h-i)的光谱分析验证了改性效果：PL强度增强，表明非辐射复合得到有效抑制；载流子平均寿命从98 ns延长至216 ns，证实修饰后钙钛矿膜的缺陷态密度显著降低。

图3：PL面扫、能级匹配、NMR、埋底XPS、ToF-SIMS和作用机理图。

图3(a-b)为钙钛矿膜PL面扫结果，在SnO2/TFSK上制备的钙钛矿薄膜荧光强度显著低于在SnO2上的制备钙钛矿膜，表面TFSK修饰促进了埋底界面的电荷提取和传输。结合支撑信息中的UPS数据，能级匹配图如图3c所示。TFSK修饰后的SnO2与钙钛矿膜的导带更匹配，有利于界面处的电荷提取与传输。图3d的¹H NMR光谱提供了TFSK与钙钛矿组分相互作用的分子证据。FAI中=N-H基团的特征峰从8.79 ppm移至8.82 ppm，这种化学位移变化证实了F原子与FA⁺中的氢原子形成了氢键作用（N-H⋯F）。温度依赖性NMR实验进一步确认了这种相互作用的真实性。图3(e-f)的XPS分析揭示了界面处的化学环境变化。钙钛矿埋底界面处的Pb 4f向低结合能移动，而I 3d向高结合能移动。这种相反的结合能位移表明CF3SO3⁻阴离子优先在碘空位处吸附，并通过氧原子与Pb原子形成更稳定的Pb-O配位结构。这种配位作用一方面减少了未配位Pb²⁺缺陷，另一方面通过电子效应改变了碘周围的化学环境。图3g的ToF-SIMS深度剖面显示K⁺离子在钙钛矿体内呈现梯度分布特征，从埋底界面向上表面逐渐减少，这种分布既优化了结晶过程又钝化了体相缺陷。结合以上分析，TFSK修饰埋底界面的示意图如图h所示。具体而言，-SO3⁻ 基团钝化了 SnO2表面缺陷，并与钙钛矿中未配位的 Pb²⁺ 相互作用。此外，K+离子部分扩散到钙钛矿的体相并到达上表面。值得注意的是，-CF3 基团可通过氢键与 FA+ 相互作用，而 CF3SO3⁻离子通过稳定 [PbI6]4-八面体框架进一步增强了钙钛矿晶格的稳定性。

要点三

器件性能提升与验证

图4：器件结构图、J-V曲线及箱线分布、EQE、SPO以及1cm2器件J-V曲线。

图4a展示了优化后的器件结构示意图。图4(b-c)的J-V曲线显示，冠军器件实现了25.82%的光电转换效率，开路电压达1.19 V，填充因子83.33%，短路电流密度26.06 mA/cm²，显著高于对照组，其参数分别如下：光电转化效率23.99%，开路电压为1.15 V，填充因子80.80%，短路电流密度25.76 mA/cm²。特别值得注意的是，迟滞因子从0.19大幅降低至0.03，表明离子迁移和界面电荷积累得到有效抑制。图4(d-f)的统计分布展示了30个器件的性能参数，证明了工艺的良好重复性和可靠性。图4g的EQE谱显示，在300-900 nm波长范围内量子效率略有提升，修饰后器件积分电流密度达25.29 mA/cm²，与J-V测试结果高度一致。图4h的稳态功率输出测试显示，器件在最大功率点的稳态输出效率为24.44%（高于对照组的23.61%），证实了器件的运行稳定性。图4i证明该策略在大面积器件（1 cm²）上也表现出色，效率从22.48%提升至24.19%，展现出良好的工艺兼容性和规模化应用潜力。

要点四

开压损失分析与器件稳定性

图5：器件电学性能测试、SCLC、FF分析和器件稳定性监测图。

本工作通过系统的稳定性测试和机理分析，揭示了TFSK修饰对器件稳定性的提升机制。图5a的Mott-Schottky分析显示，TFSK修饰后，器件的内置电场（Vbi）从0.92 V增强至0.98 V，这为电荷分离提供了更强的驱动力。图5b的EIS谱表明，电荷复合电阻（Rrec）从349 Ω显著增加至1898 Ω，证实非辐射复合得到有效抑制。图5c的SCLC测试测得缺陷态密度从4.27×1015 cm-3降至3.16×1015 cm-3，与PL和TRPL结果一致。图5d的TPV衰减寿命延长，进一步证实载流子复合速率降低。图5e的FF损失分析显示，非辐射复合损失从5.07%降至2.57%。图5f的能量损失分析表明，非辐射复合损失（ΔE3）从0.116 eV显著降至0.082 eV，这是效率提升的关键因素。图5(g-i)的系统稳定性测试结果如下：氮气环境中2000小时后仍保持88.4%初始效率；高湿环境（25% RH）下1000小时后保持89.7%效率；85°C高温老化200小时后保持80.4%效率。这种卓越的稳定性源于多重保护机制：-CF3基团的疏水性有效阻隔水分子侵蚀；CF3SO3⁻阴离子通过稳定[PbI6]4-八面体框架增强晶格稳定性；K+离子提高离子迁移活化能，抑制离子迁移导致的降解。

本文小结

本研究采用多功能小分子TFSK对n-i-p型钙钛矿太阳能电池中CBD-SnO2/钙钛矿界面进行修饰，成功实现了电池Vloss）的最小化。TFSK可有效钝化SnO2表面的OV和OOH缺陷，同时降低埋底界面的漏电流。TFSK分子中的S=O基团通过路易斯酸碱作用与Pb2+配位，而F原子与FA+形成氢键，显著降低了钙钛矿埋底界面的缺陷态密度，抑制了非辐射复合。TFSK修饰促进了多孔PbI2结构的形成，有利于铵盐充分反应从而生成残留PbI2减少的高质量钙钛矿薄膜。此外，K+离子优化了钙钛矿层的结晶过程并有效抑制了器件滞后效应。改进的能级对齐结合有效的界面缺陷钝化策略，显著增强了电荷传输特性并极大降低了能量损失。最终，器件的光伏性能得到显著提升：小面积器件实现了25.82%的最优效率，电压损失降至0.341 V，开路电压高达1.19 V；大面积器件（1 cm²）最优效率达到24.19%。此外，器件的存储稳定性、耐湿性和热稳定性均得到改善。本研究为改善CBD-SnO2基钙钛矿太阳能电池的埋底界面优化提供了重要见解。

作者介绍

第一作者

孙伟伟

北京航空航天大学化学工程学院博士研究生，导师殷鹏刚教授。研究方向为平面正式钙钛矿器件埋底界面修饰研究。

通讯作者

殷鹏刚

北京航空航天大学化学学院教授，博士生导师。主要研究领域包括：1，特种高分子合成与制备；2，钙钛矿太阳能电池及光伏器件研究；3，能源电催化材料制备与研究；4，光谱分析技术研究与实际检测应用。已在Advanced Functional Materials 、Chemical Engineering Journal、Macromolecules、Carbon Energy、Journal of Energy Chemistry、Nano Energy等期刊发表论文200余篇，引用4000余次。担任中国化工学会无机化工学术带头人，主持多项国家级科研项目和省部级科研项目以及中石油等央企多项横向课题。

通讯作者

王双龙

香港中文大学副研究员。博士毕业于马克思普朗克聚合物研究所。聚焦于钙钛矿半导体中载流子传输特性的研究以及在半导体器件中的应用。目前在Journal of the American Chemical Society, Advanced Functional Materials, Opto-Electronic Advances, Journal of Energy Chemistry, Materials Horizons, Device等期刊发表论文30余篇。担任Nano-Micro Letters, FlexMat等期刊青年编委。

通讯作者

尤汀汀

北京航空航天大学化学学院副教授，硕士生导师。主要研究领域包括：纳米材料计算模拟、钙钛矿太阳能电池及光伏器件研究、光谱分析技术研究与实际检测应用。已在Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Journal等期刊发表论文110余篇。

通讯作者

廉 鸿

上海大学机电工程与自动化学院博士后，入选上海市超级博士后激励计划，长期从事有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池（OPV）、有机光电探测器（OPD）和忆阻器等有机光电子器件的结构设计、制备、界面优化工程和物理机制分析方面的工作。近年来在Device, Advanced Materials, Chemical Society Reviews, Journal of Energy Chemistry, ACS Materials Letters, Journal of Materials Chemistry A, Advanced Electronic Materials, Journal of Materials Chemistry C, Nanoscale等国内外高水平期刊上发表SCI论文50余篇，论文累计被引次数超过600次，H-index 15，作为骨干人员参与多项国家自然科学基金和省部级科研项目的研究。

期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、DOAJ数据库收录，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊编辑部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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