太原科技大学蒋昭毅&河北大学杨少鹏、孔伟光《‌AFM》|油胺-甲酰胺鎓相干结构显著提升了钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性协同增效性能

界面优化是制备平面化、高效率且稳定的钙钛矿太阳能电池（钙钛矿太阳能电池）不可或缺的关键步骤。然而，现有的界面优化策略大多侧重于钙钛矿上表面的缺陷钝化或能级对齐，这使得难以在钙钛矿表面构建致密且稳定的保护层，以有效抵抗水分侵入和离子迁移引起的结构劣化。本研究采用油胺（OAm）/氯苯（CB）溶液对钙钛矿表面进行后处理。OAm通过质子化/去质子化反应部分取代了钙钛矿表面的甲酰胺鎓（FA+）阳离子，形成了稳定的协同结构，其中OAm+与FA+共存于钙钛矿表面。该结构显著提升了钙钛矿太阳能电池的稳定性，且未引发相变或产生额外界面。基于此策略，p-i-n型钙钛矿太阳能电池实现了25.7%的功率转换效率（稳态输出为25.5%）。在持续暴露于85℃/85%相对湿度（R.H.）条件下，光伏器件在1200小时内仍保持初始效率的85%以上，超过2000小时时仍保持80%以上效率，表明其稳定性得到显著提升。本研究揭示了表面特性如何影响钙钛矿稳定性，并提出了一种构建耐用、高性能钙钛矿界面的新方法。

图1 OAm处理诱导的相干结构形成。(a) OAm分子的结构及静电势分布。(b) 解释OAm分子在调控钙钛矿相结构中作用的示意图。(c) FAI溶液在(Methyl sulfoxide)-d6（20 mg/mL）、FAI + 0.05 M OAm、FAI + 0.1 M OAm、FAI + 0.3 M OAm及FAI + 0.9 M OAm（FAI溶液与OAm溶液体积比为1:1）中的核磁共振（NMR）谱图。(d) 在CB中经0、0.05、0.1、0.3和0.9 M OAm溶液处理的钙钛矿N 1s谱图（XPS）。(e) 不同OAm处理浓度下钙钛矿的光致发光（PL）谱图；(f–i) 原始样品、0.1 M OAm处理、0.3 M OAm处理及0.9 M OAm处理的钙钛矿薄膜的 GIWAXS 图谱；(j) 对应的(001)晶面二维结构示意图。

图2 OAm+在相干结构中的分布。(a)四种用于预测相干结构中OAm+位置与数量的理论模型。(b)图(a)中各理论模型的计算形成能。(c)视频截图展示了浸入水中（基底尺寸：20×20毫米）的钙钛矿薄膜发生相变的过程。（d–g）参考钙钛矿薄膜与经不同浓度OAm处理的钙钛矿薄膜随时间变化的水滴接触角。

图3 OAm在调节钙钛矿太阳能电池效率和稳定性中的作用。(a)示意图解释了通过表面反应导致的I−持续流失，突显了该相干结构对I−迁移的阻断作用。（b，c）钙钛矿薄膜在环境条件下老化180天前后的PL映射图像（扫描尺寸：15×15微米）。（d，e）基于FA0.95Cs0.05PbI3的钙钛矿太阳能电池在25℃、相对湿度50±10%的空气中老化180天前后的深度依赖性 XPS 光谱及(f) LBIC 映射图像。（g–i）经钙钛矿溶液腐蚀20小时的Ag薄膜的示意图及电子显微图像。

图4 钙钛矿太阳能电池的光伏性能与稳定性。(a) p-i-n型钙钛矿太阳能电池的能量级图。(b) 钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。(c) 基准器件与经OAm处理的发光二极管（LED）的 EQEEL 曲线，其结构为 ITO/NiOx/MeO-4PACz/FA0.95Cs0.05PbI3/PC61BM/BCP/Ag. ；插图：经OAm处理器件的EL图像。(d) 有效面积为52 cm²的微型组件的J-V曲线。(e) 使用模拟光源（ISOS -LC-1，即1秒光照强度LED）进行12小时开关循环测试时，钙钛矿太阳能电池的效率变化。(f) 在环境温度为23 ± 4°C条件下，钙钛矿太阳能电池在光照下的连续最大功率点（MPP）轨迹（ISOS -L-1）。(g) 在相对湿度50%、温度65°C的环境中，钙钛矿太阳能电池在光照下的连续MPP轨迹（ISOS -L-3）。