有机无机杂化钙钛矿材料因其优异的光电性质及低成本溶液法加工等特点而被广泛研究，基于钙钛矿材料的太阳能电池也受到广泛关注，钙钛矿太阳能电池的效率已经从2019年首次报道的3.8%迅速增长到25.5%，表现出巨大的应用前景。但是溶液法制备的多晶钙钛矿薄膜通常在晶界和界面处存在大量的缺陷，严重影响钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性，阻碍了钙钛矿太阳能电池的大规模商业化应用。西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授与湖南大学曾泽兵教授展开合作，进行钙钛矿太阳能电池界面缺陷钝化研究，通过采用新型有机小分子材料（FDC-2-5Cl）钝化钙钛矿薄膜表面缺陷。

图1.器件结构示意图，XPS元素分析及FDC-2-5Cl钝化前后钙钛矿薄膜表面形貌

研究表明，FDC-2-5Cl钝化显著改善了钙钛矿薄膜的表面形貌，降低了钙钛矿薄膜中的针孔。富含Cl基团的FDC-2-5Cl分子可以通过形成Pb-Cl和MA-Cl分子间作用力来钝化钙钛矿表面缺陷。FDC-2-5Cl钝化显著降低了钙钛矿表面的缺陷态密度，降低了界面缺陷引起的载流子复合。第一性原理计算表明FDC-2-5Cl处理增大了缺陷的形成能，降低了钙钛矿的表面能，并且消除了钙钛矿表面铅碘反位缺陷引起的杂质能级。

图2 .FDC-2-5Cl钝化对钙钛矿缺陷形成能和表面能的影响

钙钛矿太阳能电池界面能带匹配对于电荷在界面处的传输十分重要，钙钛矿材料不能像传统半导体材料那样通过控制掺杂浓度和深度等来精确调节能带变化，这给器件能带调控带来挑战。研究表明，FDC-2-5Cl钝化在钙钛矿薄膜表面引起电荷转移，表面处p型掺杂特性，这导致了钙钛矿表面能带向上弯曲，使得钙钛矿的价带顶更接近于空穴传输层的最高占据分子轨道，有利于钙钛矿/空穴传输层界面的电荷转移。

图3.FDC-2-5Cl钝化后薄膜载流子动力学、缺陷态密度及器件能带示意图

FDC-2-5Cl钝化显著提升了器件的开路电压，FDC-2-5Cl钝化的器件获得了最高21.16%的效率，同时具有1.14V的高开路电压。此外，FDC-2-5Cl钝化降低了钙钛矿的表面能，提升了钙钛矿薄膜的疏水性，最终导致器件稳定性的提升。该方法同时实现了钙钛矿表面缺陷钝化和界面能带调控，对于钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的提升提供了新思路。

图4.FDC-2-5Cl钝化后钙钛矿电池器件电学性能和器件稳定性

该研究成果以“Synergetic surface charge transfer doping and passivation toward high efficient and stable perovskite solar cells”为题，以Research Article形式，发表于Cell出版集团旗下的第一个综合性子刊《iScience》上。该成果由西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授与湖南大学曾泽兵教授团队合作完成；西安电子科技大学常晶晶教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省重点研发计划等科研项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221002443