大湾区大学物质科学学院于华教授课题组与西南石油大学李振宇研究员合作，在基于正式铯/甲脒/甲胺(CsFAMA)的钙钛矿太阳能电池方面取得新进展。相关成果以“Electron-Deficient Defects Repair and Residual PbI₂ Management toward Air-Processed High-Performance Perovskite Solar Cells”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

       解决钙钛矿太阳能电池（PSC）中大量未配位的Sn⁴⁺/Pb²⁺缺陷和残留的PbI₂问题是实现高性能正型（n-i-p）PSC在环境空气中制备并推动其商业化的关键。在此，引入了一种介于SnO₂和钙钛矿之间的化学桥接剂，即1-乙基-3-甲基咪唑甲磺酸盐（EMIMS）。EMIMS中的富氧官能团不仅减少了SnO₂层表面的羟基（-OH）缺陷，还螯合了钙钛矿薄膜上的未配位Pb²⁺。这些欠电子缺陷的减少最大限度地减少了载流子非辐射复合的损失，并加快了埋藏界面处的电子提取/转移。值得注意的是，经EMIMS改性的全空气制备的n-i-p PSC实现了25.20%的高效率，未封装的器件在高温或高湿环境中2000小时后仍能保持初始效率的90%以上。本研究为富氧官能团在环境空气中制备高质量PSC中的应用提供了有效的策略。

        核心方法是采用具有多配体的富氧磺酸基团的EMIMS界面层，用于钙钛矿/ETL界面。EMIMS修饰层不仅改善了基底SnO₂的均一性，还提高了钙钛矿的成膜质量从而减少了残余PbI₂。图1中作用机制研究结果显示，磺酸基团能够明显的改善欠电子的Sn⁴⁺和Pb²⁺缺陷，从而降低器件埋底界面处的缺陷辅助非辐射复合，增强器件性能。图2中的载流子动力学研究表明，EMIMS修饰后的界面非辐射复合显著降低，器件的电荷提取和转移能力显著增强。器件采用FAMACs-基(ITO/SnO₂/EMIMS/perovskite/t-BBAI/spiro-OMeTAD/Ag)和FA-基(ITO/SnO₂/EMIMS/perovskite/spiro-OMeTAD/Ag)的正型结构（如图3所示）。以FAMACs-基钙钛矿为基础制备的EMIMS修饰的最优器件实现了25.20%的PCE，其中短路电流密度（JSC）为25.29 mA cm⁻²，开路电压（VOC）为1.19 V，填充因子（FF）为84.10%。相较于对照组器件的PCE 24.31% (JSC为25.08 mA cm⁻²，VOC为1.17 V，FF为83.13%)，EMIMS提升了器件的J_SC和V_OC。稳定性结果显示，EMIMS优化后的器件展现出更加稳固的埋底界面结构，热稳、湿稳和光稳都得到了明显提升（如图4所示）。

图1 未经EMIMS修饰/经EMIMS修饰的钙钛矿的形貌和晶体学研究

图2 研究EMIMS与SnO₂以及FA基钙钛矿薄膜之间的相互作用机制

图3 研究钙钛矿薄膜及器件的载流子动力学

图4 光伏性能与长期稳定性