研究背景
钙钛矿太阳能电池（PSCs）已经取得了长足的进步，在单结电池中实现超过26%的功率转换效率（PCE），在钙钛矿-硅叠层电池中PCE超过34%，且正处于从实验室到工厂扩大的关键时刻。金属氧化物，如氧化镍（NiOx）、氧化锡（SnOx）和氧化钛（TiOx），用作PSC中的电荷传输层（CTLs）被广泛研究。然而，CTLs和钙钛矿吸收剂之间的界面化学反应会导致非辐射复合和初始降解位点的形成，从而影响初始PCE和PSCs的长期化学稳定性。尽管对这些界面的相互作用和退化机制的认识有限，但钙钛矿-金属氧化物（Pero-MeOx）界面的特定相互作用，尤其是在不同老化条件下，仍是研究热点。这种高反应性的异质界面虽然具有抗脱粘性，但对其机械键合和化学降解之间的关键关系仍缺乏全面理解。
随着自组装单分子层（SAMs）等有机物的发展，SAM-金属氧化物的双层结构因其优异的钙钛矿钝化效应和空穴传输性能，而被视为实现高性能PSCs的有前景的工业CTL架构。尽管SAM可能作为界面屏障，阻断钙钛矿和金属氧化物之间的化学反应，但界面退化在长期内仍不可避免。此外，由于界面结合力弱和热膨胀系数不匹配，界面机械分层成为Pero-CTL结构在热稳定性测试中的另一个挑战。在现实环境中，太阳能电池板需要承受宽温度波动，对PSCs的化学和机械稳定性提出了双重挑战。根据国际电工委员会（IEC）和国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）协议，热循环测试是评估PSCs长寿性能的有效方法。因此，实现稳健的机械结合和防止Pero-CTL界面降解反应之间的平衡至关重要。
然而，实现标准化的热循环稳定性仍然是开发高效PSCs的一个挑战。此外，目前实验室采用的IEC 61215标准（200个循环，停留时间10min）对工业稳定性测试（超过500个循环，停留时间更长）来说仍然远远不切实际。
研究成果
近日，新加坡国立大学侯毅团队报道了一种有效的脱粘技术，以深入分析PSCs晶体生长和老化阶段的异质界面行为。分析揭示了界面结合（断裂能范围为~2.49J·m-2至~0.38J·m-2）、质子转移相互作用和降解之间存在很强的相关性，凸显了PSC中机械和化学稳定性之间的关键权衡。为了应对这些稳定性挑战，研究者混合了Me-4PACz和DCZ-4P分子，引入了额外的膦酸锚定基团，以增强金属氧化物和钙钛矿界面的结合。根据ISOS-L-1I和ISOS-D-2I标准协议进行1000h测试后，这些设备的效率高达25.6%，保持了90%的初始性能。在热循环条件下，PSCs在500次循环中保持了95%的效率，超过了IEC 61215和ISOS-T-3I标准。
相关研究工作以“Determining the bonding–degradation trade-off at heterointerfaces for increased efficiency and stability of perovskite solar cells”为题发表在国际顶级期刊《Nature Energy》上。
研究内容
这项研究开发了一种脱粘技术，以揭示PSCs中强结合/高反应性和弱结合/低反应性的异质界面。这种技术使我们能够对不同阶段的界面相互作用进行深入分析，包括初始晶体生长和长期老化过程。研究结果表明，界面结合、质子转移相互作用和钙钛矿晶体生长过程中的降解之间存在相关性。还发现热老化加剧了质子转移反应，而电子-空穴转移反应在光老化过程中更为突出。为了解决机械键合和化学降解之间的矛盾，我们混合了[4-（3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基）丁基]膦酸（Me-4PACz）和9H，9′H-[3,3′-双咔唑]-9,9′-二基双（丁烷-4,1-二烷基））二膦酸（DCZ-4P）SAM分子，引入了额外的膦酸锚定基团，以增强金属氧化物和钙钛矿界面上的键合。这种策略不仅强化了异质界面结合，还最大限度地减少了不良化学反应。
我们的PSCs实现了25.6%的最大效率（认证为25.4%），而且显示出更高的稳定性，在1000h的操作和热老化测试（ISOS-L-1I和ISOS-D-2I）后保持了90%的效率。此外，目标PSCs在500次更严格的热循环评估（停留时间30min，超出IEC 61215标准；等T-3I）保持了95%的初始PCE。
图1. 脱粘技术和界面粘合的方法
图2. 剥离后钙钛矿的可视化特征
图3. 界面化学反应特征
图4. 异质界面特性和PSC器件性能
结论与展望
通过开发一种有效的脱粘技术，深入探究了PSC异质界面从初始晶体生长到老化各个阶段的相互作用的机制。研究揭示了异质界面上机械键合和化学降解之间的矛盾关系。证明了对于Pero-MeOx界面，机械强度强的界面结合通常伴随着强烈的化学反应。质子转移反应起着关键作用，导致界面缺陷和降解位点的形成。为了解决这种键合-降解的权衡问题，通过合理设计SAMs（SAM能够加强界面键合，同时阻断有害的界面反应）为优化钙钛矿异质界面提供了一种有前景的策略。这种策略不仅提高了PSCs的初始性能，而且显著提高了它们在严格条件下的长期稳定性。
