打开钙钛矿光伏器件埋底界面的“黑匣子”

面对可再生能源的需求，钙钛矿太阳能电池以其低成本、高转换效率的优势成为下一代光伏技术的研究热点。日前，北京大学与英国萨里大学团队合作论文在业内引起广泛关注。

“这一成果为认识钙钛矿掩埋界面提供了高效的研究平台，为发展钙钛矿高效钝化技术提供了新的研究思路，为提高钙钛矿电池性能提供了先进的理论指导。”该论文的作者、北京大学博雅分校教授龚说。

该论文作者、英国萨里大学团队负责人张伟教授表示:“这是首次对钙钛矿底界面性质的全面深入研究，将更新整个领域对多晶钙钛矿薄膜的认识，促进该领域对钙钛矿底界面性质的充分探索。”

攻关:打开埋藏接口的“黑匣子”

高效钙钛矿太阳能电池通常采用钙钛矿多晶薄膜作为光活性层，钙钛矿多晶薄膜的上下界面通常被视为缺陷富集区，是限制钙钛矿光伏器件效率提高的主要因素。

近十年来，大量的研究工作集中在钙钛矿薄膜上表面的性质和优化上，对薄膜上表面的认知也逐渐成熟。但对埋藏和未暴露的底界面缺乏更深层次的认识和理解。

同时，对于溶液中生长的多晶钙钛矿化合物半导体薄膜，大量研究通过薄膜上表面/界面的表征结果间接推断底部界面的性质，缺乏严谨的科学性。

“与成熟的表面/界面研究相比，钙钛矿薄膜的埋置界面对于很多研究者来说，仍然是一个被深埋、未被打开的‘黑匣子’。本文通讯记者、北京大学团队负责人朱锐研究员介绍了该领域钙钛矿底界面研究的滞后。

基于多年来在高性能钙钛矿太阳能电池和钙钛矿多晶薄膜性能研究中积累的扎实研究基础和丰富研究经验，北京大学团队和英国萨里大学团队对这一难题进行了攻关。

首先通过“抗溶剂牺牲聚合物传输层+金属软模板支撑”暴露沉积的钙钛矿多晶薄膜的底部界面。在一系列表面界面表征的帮助下，第一次真正“看清”了底层细节。

团队进一步发展了底面原位荧光成像技术，直观地发现了薄膜底界面非辐射复合损失的来源，首次建立了底部“微结构-光电性质”关系，最终得到了完整清晰的钙钛矿底界面物理化学图像。

朱锐表示，论文对钙钛矿光伏器件埋置界面进行了系统深入的研究，阐明了埋置界面“微结构-化学分布-光电功能”的科学关系，建立了钙钛矿光伏器件埋置界面可视化研究平台，为未来钙钛矿多晶薄膜钝化技术发展和钝化分子设计提供了指导。

分析:表面钝化的“上下贯通”

确定钙钛矿底界面损失的来源，进而消除底界面损失，提高整个钙钛矿薄膜的质量，是实现高效电池的必由之路。

“2018年，我们的联合团队通过卤化铵上表面的钝化技术，实现了反式结构钙钛矿太阳能电池的世界效率纪录。”朱锐说，“基于对这项工作的深入了解，我们想尝试看看卤化铵上表面钝化技术能否改善钙钛矿薄膜的底界面。”

借助一系列底表面研究技术，团队进一步分析了卤化铵钝化的多晶薄膜，发现卤化铵钝化的薄膜底界面的损耗源几乎全部被钝化，呈现出非常“干净”的底界面。

"经过上表面钝化后，薄膜的底界面实际上发生了明显的变化."论文作者之一、北京大学博士生杨晓宇说，“我们的实验结果与卤化铵上表面钝化的常规机制有很大不同。钙钛矿薄膜上表面的钝化处理不仅仅是上表面。”

团队进一步设计了时间分辨底部原位荧光成像实验，证明了卤化铵表面处理后，溶剂和退火导致卤化铵分子从上至下逐渐扩散到钙钛矿多晶薄膜的体相中，最终到达底部界面，形成了贯穿上下的薄膜钝化。团队还将这种全新的机制命名为“分子辅助微结构重构”，进一步提高了对卤化铵表面钝化技术本质和高效性的认识。

朱锐认为，“分子穿透现象进一步反映了钙钛矿薄膜软晶格的性质，这一结论将进一步为高效钙钛矿钝化材料的设计提供启示。”

展望:“底部大有可为”

早在1959年，诺贝尔物理学奖获得者、理论物理学家理查德·费曼在美国物理学会上首次提出:“底层大有可为。”自此，纳米领域的研究开始了快速发展的模式。

谈及未来钙钛矿光电器件的发展，龚表示，“我们也相信底界面研究在钙钛矿光电器件领域大有可为。”他认为底层接口还有更多“秘密”等待我们去探索，这将是未来实现高效稳定钙钛矿器件的重要发展方向之一。

但目前对薄膜底界面的认识还远远落后于顶面，不同体系、不同制备方法的钙钛矿薄膜可能具有不同的底界面性质。建立底层接口的成熟知识体系仍然需要大量的研究数据和成熟的研究方法。

自2013年以来，北京大学团队一直在高效钙钛矿光伏器件和薄膜表面界面的表征和优化方面进行研究和探索。

杨晓宇表示，自2017年加入团队以来，他一直专注于钙钛矿底部界面的研究和优化。“在底界面的研究中，我们也发现了许多不同于传统认知的新奇现象，这也促使我们不断探索钙钛矿底界面的更深层性质。”谈到未来的研究计划，杨晓宇充满信心。

“这项研究工作只是钙钛矿薄膜底界面研究的开始。我们希望基于我们提出的方法，我们可以揭示钙钛矿薄膜中更多的‘埋藏的秘密’。”朱锐说。

他希望这项工作能够启发更多领域和国外的研究人员，发展更先进有效的底层界面研究方法，推动新型钙钛矿光伏技术的基础研究更加完善。