2023年7月3日，华中科技大学武汉光电国家研究中心/湖北光谷实验室的陈炜教授团队针对反式结构、无溴无甲胺甲脒基钙钛矿太阳能电池效率损失较大的问题，提出了一套对钙钛矿薄膜从体相到表面的系统性缺陷钝化方案，实现了25.1%的光电转化效率和高运行稳定性。相关成果“Reduction of bulk and surface defects in inverted methylammonium- and bromide-free formamidinium perovskite solar cells”发表于Nature Energy。

反式钙钛矿太阳能电池在兼顾效率-稳定性-成本方面，具有先发竞争优势，是目前钙钛矿光伏产业化最受关注的重要技术路线。目前最高效的正式结构钙钛矿太阳能电池往往采用Br, MA-free的FAPbI₃基钙钛矿，这是由于其更接近S-Q理想带隙，电池的短路电流密度通常达到~26mA/cm²，而电压依然能保持1.17-1.19V；而不含MA能进一步减少钙钛矿薄膜光热老化条件下有机阳离子的挥发风险，有利于器件的长期工作稳定性。目前基于Br, MA-free的FAPbI₃基钙钛矿薄膜的高效反式钙钛矿太阳能电池，与正式电池相比，通常短路电流略低，开路电压损失较大，通常不超过1.15V。这说明在反式器件中Br, MA-free的FAPbI₃基钙钛矿薄膜仍缺乏系统性优化，如何利用纯碘无甲胺钙钛矿优化带隙的优势，在获得更高短路电流的同时，减少开路电压损失，仍然具有挑战性。为了解决这个问题，陈炜教授团队采用了一种反溶剂耐受的路易斯碱DBSO添加剂提高FACsPbI₃钙钛矿薄膜晶体质量，再结合多氟碳改性PEAI分子进行多功能表面修饰，实现对钙钛矿薄膜从体相到表面的系统性缺陷钝化。主要创新成果包括：

图1. 钙钛矿晶体生长调控

在DMF-NMP的溶剂体系基础上，进一步加入了一定量的二丁基亚砜DBSO配位剂。DBSO是常用溶剂二甲基亚砜DMSO的衍生物，具有更长烷基链带来的强推电子作用，从而使得其S=O官能团与PbI₂配位能力更强，计算显示DBSO与PbI₂的配位稳定性比DMSO和NMP更高（图1e）。这使得其能够在钙钛矿薄膜的生长过程中发挥重要作用。我们发现，即使在反溶剂萃取过程中，DBSO-PbI₂配位中间相仍然能够稳定存在于前驱体膜当中，这是DMSO和NMP等弱配位剂所不能实现的，这种稳定中间相对于后续的钙钛矿薄膜晶体生长至关重要。

图2. 钙钛矿薄膜质量表征

钙钛矿薄膜在退火结晶过程中形成的残余应力可导致原子空位缺陷形成、增加非辐射复合、降低载流子迁移率以及结构稳定性，进而影响器件光伏性能。DBSO的引入抑制了前驱体膜中出现δ相晶核，这避免了薄膜在退火结晶过程中的相转变带来的薄膜应力，与此同时，残留于晶界的拉伸应力可以通过中间相诱导晶体生长最大限度消除晶界而得到进一步释放（图2a-b）。最终有效控制了FACsPbI₃钙钛矿薄膜的体相缺陷密度，减少了薄膜中光生载流子的非辐射复合，提高了载流子寿命（图2c-f）。

图3. 钙钛矿薄膜表面钝化

除了DBSO添加剂工程减少钙钛矿体相缺陷外，进一步设计了含氟碳官能团的PEAI衍生物作为表面修饰分子钝化钙钛矿薄膜的表面缺陷。几种PEAI衍生的钝化剂的分子结构如图3a所示，这种CF₃吸电子基团的加入，可以调节钝化剂分子的偶极矩和疏水性，进一步改善钙钛矿薄膜载流子寿命及界面传输性能（图3c-d），同时有机离子的尺寸差异也可带来有机胺阳离子向3D钙钛矿内部扩散深度的差异（图3e），从而调节钙钛矿薄膜的表面电学性质和化学稳定性。

图4. 器件光伏性能

图4a为标准和表面处理后器件的JV曲线，最终基于2CF₃-PEAI的最高效率为25.1%，其中J_SC为25.88 mA cm^-2，Voc为1.176V，FF为82.5%，电池的稳态效率为25.0%。在稳定性方面，封装器件在MPPT状态下在空气环境（50 ± 5 ℃，50  ± 5%RH）中AM1.5G，1sun等效光强连续照射下的长期运行稳定性（图4c），基于2CF₃-PEAI处理的器件（初始效率24.5%）1800h后仍保持着初始PCE的97.4%。同时，按照IEC61215标准测试了器件的湿热加速老化稳定性（双85），2CF₃-PEAI处理后多个器件在老化1000 h后，平均效率仍然保留初始值的98.2%（图4d）。系列对比研究表明，低缺陷密度和表面疏水的FACsPbI₃基钙钛矿薄膜对于器件的稳定性至关重要。目前相关技术已申请中国专利（CN2023104580503、CN2023104338088）。

该论文是华中科技大学为第一完成单位，陈炜教授为通讯作者，陈锐博士后，王佳楠博士生，刘宗豪副教授为共同第一作者。研究工作得到了上海交通大学韩礼元教授、日本冲绳科学技术大学院大学戚亚冰教授、俄罗斯科学院联邦化学物理和药物化学问题研究中心Pavel A. Troshin教授、华中科技大学梁文锡教授的悉心指导。该研究工作得到了科技部国家重点研发项目、国家自然科学基金、华中科技大学自主创新研究基金、湖北省自然科学基金和光谷实验室创新计划等项目资助。

华中科技大学陈炜教授团队一直致力于推动面向应用的反式钙钛矿太阳能电池的研究。历年来在大面积、高效率、高稳定反式钙钛矿太阳能电池和模组研究方面取得了丰富的研究成果。除早期的Science（2015），Nature Energy（2016）论文外，后续发表过多篇重要论文解决稳定性（Nature communications, 2019）和大面积高效率模组制造瓶颈（Science Advances, 2021）。近期最新的反式电池高效率论文也陆续发表在Science（2023，合作）和Nature Energy（2023，第一单位）上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01288-7