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研究背景与困难点

钙钛矿太阳能电池虽然发展迅速，但其开路电压仍显着落后于理论厂丑辞肠办濒别测–蚕耻别颈蝉蝉别谤极限，成为限制效率提升的关键瓶颈。造成电压损失的主要原因包括：关键界面处的能量层不匹配和过度的非辐射复合。特别是在传统结构中，SnO2电子传输层表面的未配位Sn2+ (Sn–OH)形成浅陷阱位点，严重损害电子传输效率。这些界面缺陷不仅降低器件性能，还加速钙钛矿在热和湿气环境下的降解，导致长期操作稳定性不足。

研究团队及重要成果

这项突破性的研究由香港理工大学的李刚教授(Gang Li) 、Kuan Liu教授和Jinyao Tang教授共同主导，与来自香港科技大学广州及MILES HKU-SIRI的学者合作，发表在期刊《Advanced Materials》，在SnO2/钙钛矿埋藏界面成功构建了一个自组装两亲性膦酸酯衍生物（MeOBTBT-POEt）作为钙钛矿结晶驱动的模板。他们创新的方法不仅精确调控了钙钛矿晶体的生长，同时也有效地钝化了界面缺陷并优化了能级对准，从根本上解决了VOC亏损的问题。

研究重点成果摘要

器件性能突破与超低电压损失：研究团队成功将钙钛矿太阳能电池(PSC)的开路电压提升至1.23 V，电压损失仅0.306 V，达到理论极限的97.2%—这是所有钙钛矿系统中的极低损失值。器件实现了25.34%的功率转换效率，经标准太阳光模拟器测试，J-V曲线无明显迟滞效应。

长期稳定性：在严苛测试条件下（65°颁、50%相对湿度），PSC的T92寿命超过1200小时，显着改善了热和湿气环境下的长期操作稳定性。

精准的晶体取向控制：MeOBTBT-POEt模板通过自组装形成高定向超分子结构，诱导钙钛矿形成高度偏好的(100)晶向。GIWAXS测试证实了这种优化取向，DFT计算显示模板与(100)晶面结合能高达-0.94 eV。

高效界面缺陷钝化与能级对准：MeOBTBT-POEt分子主动钝化SnO2氧空位和钙钛矿中的Pb2+缺陷，其高偶极矩(1.89 D)协调界面能级对准，将电子提取能垒从0.24 eV降至-0.03 eV。XPS结果证实了强烈配位相互作用，PV-SCLC测量显示陷阱态密度从1.02×10镑16降至0.66×10^16 cm^-3。

载流子动力学优化：该策略显着抑制非辐射复合，实现超低电压损失。关键表现包括：

• 电致发光外量子效率(ELEQE)从2.73%提升至10.29%，非辐射电压损失从93.1      mV降至58.8 mV

• 光致发光量子产率(PLQY)从9.09%提升至27.06%

• 准费米能级分裂(QFLS)分析显示能量损失从62 meV降至34 meV

• TRPL测量证实电子提取效率提高，TPV/TPC测量确认载流子复合减少、传输效率增强

实验步骤与过程

Figure S1

1.成功合成关键界面调控分子 MeOBTBT-POEt

研究团队成功合成两亲性膦酸酯衍生物MeOBTBT-POEt，该分子由刚性苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(BTBT)骨架和柔性膦酸酯烷基尾组成，具备优异的自组装特性。

2.验证MeOBTBT-POEt自组装特性与稳定性

通过溶剂蒸发法获得MeOBTBT-POEt单晶并分析晶体学数据。热重分析(TGA)评估热稳定性，差示扫描量热法(DSC)验证室温超分子组装特性。原位X射线衍射(XRD)光谱监测薄膜在热退火过程中的晶体结构演变，确认该分子能在室温下自发组装形成高度有序的二维单晶形态模板。

3.建立分子与钙钛矿晶面相互作用理论基础

运用密度泛函理论(DFT)计算评估MeOBTBT-POEt与FAPbI3钙钛矿在不同晶面((100)、(110)、(111))的相互作用，发现其与(100)晶面具有相互作用。通过DFT计算静电势(ESP)评估分子偶极矩，证明其界面修饰潜力。

4.制备高性能钙钛矿太阳能电池

按标准n-i-p结构(FTO/SnO2/MeOBTBT-POEt/钙钛矿/spiro-OMeTAD/Au)制备器件：

1. 基板与SnO2      ETL制备：FTO玻璃清洁并紫外线-臭氧处理后，旋涂SnO2溶液，200°颁退火60分钟

2. MeOBTBT-POEt界面修饰：在手套箱中将不同浓度的MeOBTBT-POEt氯苯溶液旋涂于SnO2      ETL上

3. 钙钛矿层沉积：制备Cs0.03(FA0.97MA0.03)0.97Pb(I0.97Br0.03)3前驱体溶液(带隙~1.53 eV)，旋涂后在受控湿度(20-30% RH)环境中100°颁退火60分钟

4. HTL与电极制备：依次旋涂BABr和spiro-OMeTAD溶液，100°颁退火10分钟，最后热蒸发沉积80 nm厚Au电极

Figure 1a

表征手法与结果

准费米能级分裂(QFLS)和光致发光量子效率(PLQY)表征与结果

PLQY是太阳能电池开路条件下行为的指标，PL对实现更高光电压至关重要。QFLS分析用于深入探讨电荷复合和V_OC亏损机制。测量SnO2/钙钛矿半迭层样品的光致发光强度，并根据公式QFLS = qV_OC,rad + k_BTln(PLQY)计算准费米能级分裂。经MeOBTBT-POEt修饰的SnO2/钙钛矿半迭层样品PLQY显着提升，从9.09%增加至27.06%。相应的能量损失Δ(V_OC,rad - QFLS)从62 meV大幅降低至34 meV。QFLS分析证实，超低V_OC亏损主要归因于SnO2/钙钛矿埋藏界面非辐射复合的有效消除。

图4d 显示了有无MeOBTBT-POEt修饰的SnO2/钙钛矿半迭层样品的光致发光量子效率（PLQY）。

图4e 显示了对照组和BIM组组件的准费米能级分裂（QFLS）分析结果。

表S5 总结了V_OC损失分析。

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电流-电压（J-V）曲线

在标准AM 1.5 G照明下，使用EnliTech的SS-X太阳光模拟器进行测量，进行正向和反向扫描(1.25至-0.2 V)评估迟滞效应，延迟时间100 ms，测试面积0.04 cm2。

经埋藏界面改性(BIM)的钙钛矿太阳能电池性能显着提升，最大功率转换效率达25.34%，开路电压1.23 V，短路电流密度25.10 mA cm^-2，填充因子82.28%。对照组器件PCE为22.81%，开路电压1.197 V，短路电流密度25.08 mA cm^-2，填充因子75.99%。

对于带隙1.536 eV的钙钛矿，电压损失仅0.306 V，达到理论厂丑辞肠办濒别测–蚕耻别颈蝉蝉别谤极限的97.2%。J-V测量显示无明显迟滞效应。

图4a：显示了最佳性能的对照组（Control）和埋入式界面改性（BIM）组件的J-V曲线。

表1 总结了其光伏特性。

外部量子效率（EQE）光谱

使用Enlitech QE-R系统测量器件在不同波长下的光子-电子转换效率，采用210 Hz斩波单色光，波长范围300-850 nm。短路电流密度在不同浓度下保持恒定约25.1 mA cm^-2，与EQE光谱积分值高度吻合(误差<1%)。通过EQE光谱第一次微分计算得出FA基钙钛矿的光伏带隙(E_gPV)约为1.536 eV。

图4b 显示了对照组和BIM组组件的EQE光谱。

图S26 进一步显示了EQE光谱的第一次微分，用于确定光伏带隙。

电致发光外部量子效率EQEEL

量化钙钛矿太阳能电池在正向偏置下作为LED操作时的非辐射复合损失，用于分析V_OC亏损机制。使用EnliTech LQ-100 光致发光量子效率测量系统进行测量。BIM组件在25.1 mA cm^-2注入电流下的EQE_EL显着提升至10.29%，远高于对照组的2.73%。对应的非辐射复合损失从93.1 mV大幅降低至58.8 mV，与J-V测试中的V_OC提升结果一致，证明该策略有效抑制了SnO2/钙钛矿埋藏界面的非辐射复合，这是实现超低V_OC亏损的关键机制。

图S27 显示了EQE_EL作为注入电流密度的函数，用于对照组和BIM组组件。

长期操作稳定性测试（ISOS-L-3）

评估钙钛矿太阳能电池在热应力和湿度应力下的长期操作稳定性，衡量器件商业可行性。经BIM处理的器件在65°颁操作1228小时后，仍保持初始PCE的92%以上，显着优于对照组。这项增强的稳定性归因于浅层缺陷的有效消除和耐湿性。

图4g 显示了在ISOS-L-3条件下对照组和BIM组组件的长期操作稳定性测试结果。

其他表征

•X射线光电子能谱（XPS）：研究SnO₂电子传输层（ETL）和钙钛矿之间埋入接口的化学环境和相互作用。证实对SnO₂中氧空位和钙钛矿中未配位Pb²⁺缺陷的自发钝化效应。（图3a、b、c）

•紫外光电子能谱（UPS）：评估电子选择性界面处的能带结构。经MeOBTBT-POEt修饰后，SnO₂的功函数从4.16 eV上移至3.82 eV，电子提取能垒从0.24 eV降至-0.03 eV。（图3d、e）

•时间分辨光致发光（TRPL）：研究界面电荷转移动力学和电荷分离提取效率。修饰后钙钛矿载流子寿命从381.7 ns缩短至183.9 ns，证实电子提取效率提高。（图3f）

•掠入射广角X射线散射（GIWAXS）：分析钙钛矿薄膜的晶体取向。修饰后钙钛矿(100)晶面沿面外方向高度集中，实现优选取向生长（图2b、c）

•密度泛函理论（DFT）计算：估计分子与钙钛矿不同晶面的相互作用强度。MeOBTBT-POEt与(100)晶面结合(-0.94 eV)，分子偶极矩为1.89 D。（图2d、e）

•X射线衍射（XRD）光谱：监测分子薄膜晶体结构演变和钙钛矿取向。原位XRD证实固-固相变过程，修饰后(100)/(111)峰强度比从5.87增至8.65。（图1b）

•扫描电子显微镜（SEM）：观察钙钛矿薄膜形态学特征。修饰后钙钛矿晶域尺寸较大，归因于疏水表面延迟结晶过程。（图S18）

•光强度-开路电压关系：确定器件理想因子和复合机制。BIM器件理想因子降至1.12（对照组1.38），电荷复合行为更接近理想状态。（图S29）

•瞬态光电压/光电流（TPV/TPC）：揭示载流子复合和转移动力学。TPV衰减时间从61.87 μs延长至133.34 μs，TPC衰减时间从0.86 μs缩短至0.73 μs。（图S30）

•脉冲电压-空间电荷限制电流（PV-SCLC）：估计钙钛矿中电子陷阱密度。陷阱态密度从1.02×10¹⁶ cm^-3降至0.66×10¹⁶ cm^-3，显着减少陷阱态。（图S31）

•莫特-肖特基分析和热导纳谱（TAS）：定量估计陷阱态能级分布和内建电压。内建电压从1.06 V提升至1.10 V，深能级陷阱态密度降低一个数量级。（图4f、S32）

结论

该研究成功开发埋藏界面调控策略，使用自组装两性磷酸酯衍生物MeOBTBT-POEt在SnO₂/钙钛矿界面构建结晶驱动模板，显着提升钙钛矿太阳能电池性能。

•器件性能：研究团队实现25.34%功率转换效率和1.23 V开路电压，对于1.536 eV带隙钙钛矿，电压损失仅0.306 V，达到理论极限97.2%。

•精准结晶调控与载流子优化：高定向超分子模板诱导钙钛矿形成优先(100)面外取向，促进垂直电荷传输。MeOBTBT-POEt的1.89 D偶极矩协调界面能级对准，电子提取能垒从0.24 eV降至-0.03 eV，载流子寿命从381.7 ns缩短至183.9 ns。

•高效界面缺陷钝化：该策略主动钝化SnO₂氧空位和钙钛矿Pb²⁺缺陷，显着抑制非辐射复合。电致发光外量子效率从2.73%提升至10.29%，光致发光量子效率从9.09%增至27.06%，陷阱态密度从1.02×10¹⁶降至0.66×10¹⁶cm^-3。

•优异长期稳定性：在热压(65°颁)和湿气(50% RH)条件下，器件T₉₂寿命超过1200小时，归因于有效的缺陷消除和优异耐湿性。

文献参考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202418011

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