王睿博士 ，西湖大學工學院特聘研究員，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等旗艦雜志發表論文40余篇 ，研究成果被包括科學美國人，福布斯等多家知名媒體報道。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論全球35歲以下創新35人名單等。

薛晶晶博士，1993年出生，浙江大學材料科學與工程學院、硅材料國家重點實驗室“百人計劃”研究員、博士生導師。入選國家級青年人才、《麻省理工科技評論》亞太區“35歲以下科技創新35人”、福布斯中國30歲以下精英榜。2016年9月于南京大學化學化工學院取得學士學位，2020年5月于加州大學洛杉磯分校材料科學與工程學院取得博士學位，師從半導體光電材料與器件領域國際著名學者Yang Yang 教授，期間曾赴斯坦福大學材料科學與工程學院崔屹教授課題組訪學，博士畢業后在加州大學洛杉磯分校繼續博士后研究工作。于2021年全職加入浙江大學材料科學與工程學院。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.等期刊發表學術論文近 3 0篇。

2025年，兩位博導合作已經發過N ature C hemistry 和N ature P hotonics ，今日，他們聯手再發N ature E nergy ， 下面，就讓小編帶大家拜讀一下這個最新研究成果。

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勢，被視為實現 太瓦級光 伏發電的有力候選技術。然而，在實際生產中， 要想實現高性能和規模化應用，關鍵一步就是穩定、有效地進行表面缺陷鈍化 。然而，鈣鈦礦材料的表面狀態在不同批次、操作者或實驗室之間往往差異較大，這些差異來源于微小的工藝波動，如溫度、配比、濕度或溶劑蒸發環境的變化。這些不可避免的波動會導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，開發一種對工藝偏差具備高度容忍度、在各種條件下都能穩定發揮作用的通用鈍化策略，是提升器件可重復性和工業 量產良率 的關鍵，但目前仍面臨巨大挑戰。

在此， 西湖大學 王睿 研究員 及浙江大學 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，即可實現對表面缺陷的全面鈍化，同時 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，對鈍化劑濃度的偏差容忍度高，并且適用于多種器件結構、鈣鈦礦配方以及不同尺寸的器件。最終可實現高光電轉換效率，并有望在工業化生產中提升可擴展性與成品率。 相關成果以“ Fluorinated isopropanol for improved defect passivation and reproducibility in perovskite solar cells ”為題發表在 《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，不易與鈣鈦礦發生反應，使得在高濃度鈍化條件下也不會引發材料結構變化 。通過比較不同電子發射角度下鈍化劑PEAI的分布情況， 作者 發現CP模式下PEAI容易在表面堆積，濃度選擇對鈍化效果影響大，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 進一步用XRD和SEM觀察了材料結構變化：PEAI/IPA容易誘導形成不利的二維鈣鈦礦相，而PEAI/FIPA則大幅抑制了這種結構轉變（圖1e–g），保持了原始鈣鈦礦結構和表面形貌。整體結果表明，FIPA在SP模式下能顯著抑制鈍化劑與鈣鈦礦的反應與滲透，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

反應遲緩的機理

為揭示為何在 FIPA溶劑中PEAI與鈣鈦礦的反應性降低，研究團隊系統分析了溶液中的化學相互作用機制（圖2）。他們提出兩種可能機制：機制 1 認為FIPA中強電負性的氟原子會影響溶劑中的羥基（–OH），進而抑制PEAI與 PbI ? 的反應；機制 2 則認為氟原子能與胺類鈍化劑形成氫鍵，減少PEAI與 PbI ? 的結合能力。 通過傅里葉 紅外光譜（FTIR）和核磁共振（NMR）實驗，研究發現雖然IPA和FIPA都能通過–OH與 PbI ? 形成氫鍵，但這并非影響反應性的關鍵，因為即便在更強氫鍵能力的DIPA中， PbI ? 仍 能與 PEAI充分反應（圖2a–b）。另一方面，19F-NMR結果顯示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 氟發生 顯著相互作用（圖2e–f）。這些氟–氫鍵抑制了PEAI的帶電狀態，使其更穩定且不易與 PbI ? 發生反應，從而減少了 二維相的 形成。綜上， 研究證實FIPA通過機制 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：反應遲緩的機理

深入了解飽和鈍化

研究人員系統評估了“飽和鈍化” 各步驟對鈣鈦礦表面缺陷鈍化與界面電荷傳輸的影響，發現傳統使用IPA或FIPA進行高濃度（100 mM）PEAI鈍化雖能抑制非輻射復合，但會在表面殘留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，FIPA具有更強的洗脫能力，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，非輻射復合抑制不足，效率未明顯提升。進一步對比不同組合策略（如IPA沉積+FIPA清洗，FIPA沉積+IPA清洗）后，研究者發現IPA在清洗階段的引入能提 升鈍化效果。于是他們優化 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光強度，并在器件中實現了超過參考器件的效率表現（圖3g,h）。當PEAI濃度在20–100 mM范圍內，效率穩定維持在約25%，優于傳統方法（22%），并在多種鈍化劑（如 OATsO ）中展現良好適應性，其中最佳器件效率高達25.56%（圖3i）。該結果表明， 經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模可控生產提供了更優解。

圖 3： 增強 SP 的有效性

對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定提升鈣鈦礦電池效率一直是難題，因為傳統固定濃度鈍化策略常因批次差異效果不一。 研究團隊提出的升級版 SP鈍化方法（以20 mM鈍化劑/FIPA溶液配合15% IPA洗滌）展現出優異的通用性，無論鈣鈦礦組成、制備方法、環境或器件結構如何，都能實現穩定高效的鈍化效果。 例如，n– i –p結構器件效率達25.5%，而應用于不同 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），凸顯其對缺陷密度增加的補償作用。此外，研究還展示了SP方法在浸泡工藝中的應用可替代旋涂工藝，簡化了大規模生產流程，同時效率依然超過24%（圖4i）。更進一步，光譜分析表明該方法可抑制低維相生成，同時提升準費米能級差（QFLS），顯著改善界面質量。加速老化測試（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小時后仍保留80%以上性能，穩定性遠優于傳統鈍化方法（圖4j）。這 些結果充分證明SP策略具有廣泛適應性和工業應用潛力。

圖 4： SP 策略的 普適性

小結

本研究提出的“飽和鈍化策略”是一種高效、穩定且可重復的鈣鈦礦太陽能電池表面缺陷修復方法。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變化導致的鈍化不一致問題。其關鍵機制在于FIPA中氟原子與鈍化劑之間形成的強氫鍵（H–F），抑制了鈍化劑與三維晶格的過度反應。 這一方法在多種鈣鈦礦配方和器件結構中均展現出優異的光電轉換效率（PCE），具有廣泛適用性和工業應用前景（見圖）。該研究不僅揭示了穩定高效鈍化的分子機制，也為開發更先進的鈍化技術提供了理論基礎和實踐路徑。

來源：高分子科學前沿

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