王睿博士 ，西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員，長期從事第三代太陽能電池的研究工作， 曾以第一作者或通訊作者身份在Nature (3篇)，Science (3篇)，Nature Photonics, Nature Chemistry，Joule，Advanced Materials，JACS，Matter，Nano Letters等旗艦雜志發(fā)表論文40余篇 ，研究成果被包括科學(xué)美國人，福布斯等多家知名媒體報(bào)道。入選福布斯中國30歲以下30人，福布斯亞太30歲以下30人，以及麻省理工科技評(píng)論全球35歲以下創(chuàng)新35人名單等。

薛晶晶博士，1993年出生，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“百人計(jì)劃”研究員、博士生導(dǎo)師。入選國家級(jí)青年人才、《麻省理工科技評(píng)論》亞太區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、福布斯中國30歲以下精英榜。2016年9月于南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院取得學(xué)士學(xué)位，2020年5月于加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程學(xué)院取得博士學(xué)位，師從半導(dǎo)體光電材料與器件領(lǐng)域國際著名學(xué)者Yang Yang 教授，期間曾赴斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院崔屹教授課題組訪學(xué)，博士畢業(yè)后在加州大學(xué)洛杉磯分校繼續(xù)博士后研究工作。于2021年全職加入浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。目前主要從事金屬鹵化物鈣鈦礦光電材料與器件研究。先后共發(fā)表SCI論文40余篇， 其中以第一或通訊作者在Science、Nature、Nat. Photonics、Nat. Energy、Nat. Comm.、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、Joule、J. Am. Chem. Soc.等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文近 3 0篇。

2025年，兩位博導(dǎo)合作已經(jīng)發(fā)過N ature C hemistry 和N ature P hotonics ，今日，他們聯(lián)手再發(fā)N ature E nergy ， 下面，就讓小編帶大家拜讀一下這個(gè)最新研究成果。

氟化異丙醇用于改善鈣鈦礦太陽能電池中的缺陷鈍化和可重復(fù)性

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率和低成本制備優(yōu)勢(shì)，被視為實(shí)現(xiàn) 太瓦級(jí)光 伏發(fā)電的有力候選技術(shù)。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中， 要想實(shí)現(xiàn)高性能和規(guī)模化應(yīng)用，關(guān)鍵一步就是穩(wěn)定、有效地進(jìn)行表面缺陷鈍化 。然而，鈣鈦礦材料的表面狀態(tài)在不同批次、操作者或?qū)嶒?yàn)室之間往往差異較大，這些差異來源于微小的工藝波動(dòng)，如溫度、配比、濕度或溶劑蒸發(fā)環(huán)境的變化。這些不可避免的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致相同鈍化方案在不同條件下效果差異顯著，甚至適得其反。因此，開發(fā)一種對(duì)工藝偏差具備高度容忍度、在各種條件下都能穩(wěn)定發(fā)揮作用的通用鈍化策略，是提升器件可重復(fù)性和工業(yè) 量產(chǎn)良率 的關(guān)鍵，但目前仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

在此， 西湖大學(xué) 王睿 研究員 及浙江大學(xué) 薛 晶晶 研究員 提出了 一種基于含氟異丙醇的鈍化策略，只需在鈣鈦礦表面形成一層超薄的低維鈣鈦礦，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面缺陷的全面鈍化，同時(shí) 不影響電荷傳輸 。 含氟異丙醇可降低鈍化劑分子與鈣鈦礦的反應(yīng)活性，使我們能夠使用較高濃度的鈍化劑，確保缺陷被完全覆蓋 。 之后，利用含氟異丙醇與普通異丙醇的混合溶劑進(jìn)行沖洗，可有效去除多余的鈍化劑分子。 這一方法具有寬松的工藝窗口，對(duì)鈍化劑濃度的偏差容忍度高，并且適用于多種器件結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦配方以及不同尺寸的器件。最終可實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率，并有望在工業(yè)化生產(chǎn)中提升可擴(kuò)展性與成品率。 相關(guān)成果以“ Fluorinated isopropanol for improved defect passivation and reproducibility in perovskite solar cells ”為題發(fā)表在 《N ature E nergy 》 上，第一作者為 王思 思 。

鈣鈦礦中的滲透和嵌入

作者 利用角分辨X射線光電子能譜研究了不同模式下鈍化劑在鈣鈦礦中的滲透情況（圖1a）。傳統(tǒng)鈍化（CP）是將鈍化劑一次性滴加在鈣鈦礦表面，而飽和鈍化（SP）則在滴加后額外用溶劑沖洗。 作者 使用帶有氟取代的異丙醇（FIPA）作為新型溶劑，它比普通異丙醇（IPA）更溫和，不易與鈣鈦礦發(fā)生反應(yīng)，使得在高濃度鈍化條件下也不會(huì)引發(fā)材料結(jié)構(gòu)變化 。通過比較不同電子發(fā)射角度下鈍化劑PEAI的分布情況， 作者 發(fā)現(xiàn)CP模式下PEAI容易在表面堆積，濃度選擇對(duì)鈍化效果影響大，而SP模式特別是在FIPA-SP中，可以有效去除多余的鈍化劑，使其分布更均勻、殘留更少 （圖1b–d）。此外， 作者 進(jìn)一步用XRD和SEM觀察了材料結(jié)構(gòu)變化：PEAI/IPA容易誘導(dǎo)形成不利的二維鈣鈦礦相，而PEAI/FIPA則大幅抑制了這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變（圖1e–g），保持了原始鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和表面形貌。整體結(jié)果表明，F(xiàn)IPA在SP模式下能顯著抑制鈍化劑與鈣鈦礦的反應(yīng)與滲透，并高效清除多余分子，從而提升鈍化一致性與器件性能。

圖 1：配體的滲透和嵌入

反應(yīng)遲緩的機(jī)理

為揭示為何在 FIPA溶劑中PEAI與鈣鈦礦的反應(yīng)性降低，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了溶液中的化學(xué)相互作用機(jī)制（圖2）。他們提出兩種可能機(jī)制：機(jī)制 1 認(rèn)為FIPA中強(qiáng)電負(fù)性的氟原子會(huì)影響溶劑中的羥基（–OH），進(jìn)而抑制PEAI與 PbI ? 的反應(yīng)；機(jī)制 2 則認(rèn)為氟原子能與胺類鈍化劑形成氫鍵，減少PEAI與 PbI ? 的結(jié)合能力。 通過傅里葉 紅外光譜（FTIR）和核磁共振（NMR）實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)雖然IPA和FIPA都能通過–OH與 PbI ? 形成氫鍵，但這并非影響反應(yīng)性的關(guān)鍵，因?yàn)榧幢阍诟鼜?qiáng)氫鍵能力的DIPA中， PbI ? 仍 能與 PEAI充分反應(yīng)（圖2a–b）。另一方面，19F-NMR結(jié)果顯示FIPA中的氟原子與 PbI ? 幾乎無作用（圖2c），但在PEAI與FIPA的混合樣品中，19F-NMR和1H-NMR均顯示PEAI的氨基（–NH ?? ）與 氟發(fā)生 顯著相互作用（圖2e–f）。這些氟–氫鍵抑制了PEAI的帶電狀態(tài)，使其更穩(wěn)定且不易與 PbI ? 發(fā)生反應(yīng)，從而減少了 二維相的 形成。綜上， 研究證實(shí)FIPA通過機(jī)制 2 ，即F原子與鈍化劑形成氫鍵，削弱其與 PbI ? 的親和性，有效降低了低維相的生成傾向.

圖 2：反應(yīng)遲緩的機(jī)理

深入了解飽和鈍化

研究人員系統(tǒng)評(píng)估了“飽和鈍化” 各步驟對(duì)鈣鈦礦表面缺陷鈍化與界面電荷傳輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)使用IPA或FIPA進(jìn)行高濃度（100 mM）PEAI鈍化雖能抑制非輻射復(fù)合，但會(huì)在表面殘留PEAI粉末并生成低維相，帶來高界面電阻，反而損害器件性能。相比之下，F(xiàn)IPA具有更強(qiáng)的洗脫能力，能有效清除殘留物且避免形成低維相，從而降低界面電阻，但因鈍化分子過度去除，非輻射復(fù)合抑制不足，效率未明顯提升。進(jìn)一步對(duì)比不同組合策略（如IPA沉積+FIPA清洗，F(xiàn)IPA沉積+IPA清洗）后，研究者發(fā)現(xiàn)IPA在清洗階段的引入能提 升鈍化效果。于是他們優(yōu)化 SP策略，在FIPA洗液中引入5–40% IPA，顯著提升了鈣鈦礦膜的光致發(fā)光強(qiáng)度，并在器件中實(shí)現(xiàn)了超過參考器件的效率表現(xiàn)（圖3g,h）。當(dāng)PEAI濃度在20–100 mM范圍內(nèi)，效率穩(wěn)定維持在約25%，優(yōu)于傳統(tǒng)方法（22%），并在多種鈍化劑（如 OATsO ）中展現(xiàn)良好適應(yīng)性，其中最佳器件效率高達(dá)25.56%（圖3i）。該結(jié)果表明， 經(jīng)IPA輔助的FIPA-SP策略不僅拓寬了工藝窗口，還提升了器件一致性和通用性，為鈣鈦礦光伏器件的大規(guī)模可控生產(chǎn)提供了更優(yōu)解。

圖 3： 增強(qiáng) SP 的有效性

對(duì)各種鈣鈦礦器件的普遍適用性

在不同配方和制備條件下穩(wěn)定提升鈣鈦礦電池效率一直是難題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)固定濃度鈍化策略常因批次差異效果不一。 研究團(tuán)隊(duì)提出的升級(jí)版 SP鈍化方法（以20 mM鈍化劑/FIPA溶液配合15% IPA洗滌）展現(xiàn)出優(yōu)異的通用性，無論鈣鈦礦組成、制備方法、環(huán)境或器件結(jié)構(gòu)如何，都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的鈍化效果。 例如，n– i –p結(jié)構(gòu)器件效率達(dá)25.5%，而應(yīng)用于不同 溴 摻雜比例或抗溶劑法制膜的器件，效率同樣提升至23.2%~26.0%（圖4a–e）。即便在空氣中制膜，該方法也將FAPbI3器件效率從22.4%提升至24.9%（圖4f）。 在大面積器件中（ 1 cm 2 ），SP方法提升幅度更顯著，從21.6%增至24.5%（圖4g–h），凸顯其對(duì)缺陷密度增加的補(bǔ)償作用。此外，研究還展示了SP方法在浸泡工藝中的應(yīng)用可替代旋涂工藝，簡化了大規(guī)模生產(chǎn)流程，同時(shí)效率依然超過24%（圖4i）。更進(jìn)一步，光譜分析表明該方法可抑制低維相生成，同時(shí)提升準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)差（QFLS），顯著改善界面質(zhì)量。加速老化測(cè)試（ISOS-L-3-65°C）表明，SP處理器件不僅初始效率高（23.9%），且在1,000小時(shí)后仍保留80%以上性能，穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鈍化方法（圖4j）。這 些結(jié)果充分證明SP策略具有廣泛適應(yīng)性和工業(yè)應(yīng)用潛力。

圖 4： SP 策略的 普適性

小結(jié)

本研究提出的“飽和鈍化策略”是一種高效、穩(wěn)定且可重復(fù)的鈣鈦礦太陽能電池表面缺陷修復(fù)方法。該策略先使用高濃度鈍化劑溶于FIPA處理鈣鈦礦表面，再用IPA與FIPA混合溶液洗滌，去除多余分子，從而顯著解決了因表面狀態(tài)變化導(dǎo)致的鈍化不一致問題。其關(guān)鍵機(jī)制在于FIPA中氟原子與鈍化劑之間形成的強(qiáng)氫鍵（H–F），抑制了鈍化劑與三維晶格的過度反應(yīng)。 這一方法在多種鈣鈦礦配方和器件結(jié)構(gòu)中均展現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），具有廣泛適用性和工業(yè)應(yīng)用前景（見圖）。該研究不僅揭示了穩(wěn)定高效鈍化的分子機(jī)制，也為開發(fā)更先進(jìn)的鈍化技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐路徑。

來源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>