实现高效稳定钙钛矿电池：基于PEI-SnO₂的界面双功能钝化与调控策略

 

钙钛矿太阳能电池因其高效率与低制备成本成为光伏领域的研究热点，但其商业化仍面临界面缺陷、结晶不均匀及稳定性不足等挑战，其中钙钛矿吸收层与电子传输层之间的埋底界面缺陷是制约性能与可靠性的关键瓶颈。以SnO₂为代表的电子传输层虽具有高电子迁移率等优点，但其表面固有的氧空位、较差的润湿性以及不理想的能级匹配，会导致严重的界面非辐射复合和钙钛矿结晶不均匀。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试，监测各个工艺段中的异常，了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。

本研究提出了一种高效的双功能界面工程策略：将聚乙烯亚胺（PEI）直接掺入SnO₂前驱体溶液中，通过一步法制备改性电子传输层。该策略利用PEI的胺基同时实现界面缺陷钝化与功函数调控：一方面钝化氧空位，抑制电荷复合；另一方面形成界面偶极，优化能级对齐并显著增强表面润湿性，从而促进高质量钙钛矿薄膜的生长与高效电荷提取，为制备高效、稳定且可扩展的钙钛矿光伏器件提供了关键解决方案。

材料结构与表面性质表征

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（a）PEI修饰SnO₂层的形成示意图（b）SnO₂和PEI:SnO₂薄膜的N1s（c）Sn3d和（d）O1s XPS谱图

PEI通过其胺基与SnO₂表面羟基的化学作用发生质子化，形成带正电的离子自组装层，有效钝化氧空位（Oᵥ）。XPS分析证实PEI成功掺入SnO₂层，Sn 3d峰向低结合能位移，表明PEI中胺基的给电子效应增强了Sn周围的电子云密度。O 1s谱显示PEI修饰后Oᵥ/O_L比例降低约20%，说明氧空位得到有效抑制。UPS测量表明SnO₂的功函数从4.3 eV降至4.0 eV，归因于PEI诱导的界面偶极形成，优化了ETL与钙钛矿间的能级对齐。

表面形貌与润湿性

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（a,b）ITO/SnO₂与ITO/PEI:SnO₂薄膜的AFM图像（c,d）相应的KPFM图像（e）KPFM测得的SnO₂与PEI:SnO₂表面电位（f）ITO/SnO₂与ITO/PEI:SnO₂薄膜的UPS谱图（g,h）分别为SnO₂/钙钛矿与PEI:SnO₂/钙钛矿界面的能带示意图

AFM显示PEI修饰后薄膜粗糙度降低，有利于界面接触并减少缺陷。KPFM测得PEI: SnO₂表面电位提高约110 mV，进一步证实表面缺陷钝化与电荷密度调控。接触角测试表明，PEI修饰使SnO₂表面对DMF的接触角从21.4°降至接近0°，润湿性显著提升，粘附功从71.6 mJ/m²增至74.2 mJ/m²，有利于钙钛矿溶液的均匀铺展与高质量成膜。

钙钛矿薄膜生长与界面特性

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（a）ITO/SnO₂与（b）ITO/PEI:SnO₂薄膜的接触角图像（c,d）分别在ITO/SnO₂与（d,f）ITO/PEI:SnO₂衬底上沉积的钙钛矿薄膜的截面SEM图像（e,f）相应的表面SEM图像（g,h）分别为在ITO/SnO₂与ITO/PEI:SnO₂衬底上涂覆的钙钛矿薄膜的导电AFM图像

SEM显示在PEI:SnO₂上沉积的钙钛矿薄膜界面更平整、晶粒更大（平均尺寸从693 nm增至817 nm），且晶粒尺寸分布更均匀。XRD证实PEI修饰未改变钙钛矿晶体结构。导电AFM表明PEI修饰后电流响应更均匀，提取电流从540 pA提升至620 pA，界面电荷提取能力增强。

载流子动力学分析

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（a）稳态PL与（b）TRPL谱图：玻璃/钙钛矿、玻璃/SnO₂/钙钛矿、玻璃/PEI:SnO₂/钙钛矿薄膜

在不同衬底上沉积的钙钛矿薄膜的PL衰减参数

稳态与时间分辨光致发光谱（PL/TRPL）显示，PEI修饰后钙钛矿薄膜的PL强度略有升高，TRPL衰减中慢寿命组分（τ₂）延长，表明辐射复合增强。通过激发功率依赖的PL分析，PEI:SnO₂/perovskite薄膜的k值从1.33提高至1.44，说明非辐射复合受到抑制。

密度泛函理论模拟

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（a–c）C₂NH₆分子在SnO₂（110）表面的三种不同构型（d）未氢钝化与（e）氢钝化的5层SnO₂（110）衬底的能带结构（f–h）分别为对应（a–c）构型#1–3的能带结构

三种C₂NH₆构型在有/无vdW‑DF2修正下的相对总能量差及其功函数Φ值

采用C₅NH₆模型分子模拟PEI在SnO₂（110）表面的偶极形成行为。计算表明，特定分子构型（Conf. #3）可重现实验中观测到的功函数降低，验证了PEI诱导界面偶极调控能带的机理。

器件性能与稳定性

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（a）PSCs的J–V曲线（b）由IPCE数据得出的EQE谱（c）在85°C、氮气气氛下PCE随时间变化的稳定性（d）包含10个子电池的钙钛矿迷你组件照片（e）钙钛矿迷你组件的J–V曲线（f）在25°C、氮气气氛下迷你组件PCE随时间变化的稳定性测试

PSCs的光伏性能参数

钙钛矿迷你组件的光伏性能参数

基于PEI:SnO₂ ETL的小面积PSCs（0.0464 cm²）获得最佳PCE为24.49 %（ VOC=1.19 V，JSC=25.10 mA/cm²，FF=82.00 %），相比对照组（21.20%）性能显著提升，且迟滞效应减弱。EQE积分电流与J-V测量值吻合良好，Voc的提高主要归因于缺陷密度降低与界面复合抑制。光电流分析与激子解离率计算进一步证实PEI修饰提升了电荷漂移与提取效率。

稳定性方面，PEI修饰器件在85°C、N₂气氛下老化1400小时后仍保持初始PCE的87 %，优于对照组的70%。制备的迷你组件（24.8 cm²）效率达22.56%，在500小时连续光照下保持94%的初始性能，最大功率点跟踪显示输出稳定。组件效率相较于小面积电池仅下降7.90%，主要源于几何损失与集成电阻，显示良好的规模化潜力。          
 

本研究通过将PEI掺入SnO₂ ETL，实现了润湿性增强与功函数调控的双重目标，促进了钙钛矿均匀结晶、缺陷钝化与能级优化，从而提升了载流子提取效率并抑制了非辐射复合。小面积电池与迷你组件分别实现了24.49 %与22.56 %的高效率，并表现出优异的长期稳定性与输出稳定性。理论计算揭示了PEI诱导界面偶极的物理机制。该策略为钙钛矿太阳能电池的界面工程与规模化制备提供了兼具机理洞察与实际可行性的解决方案，推动钙钛矿光伏技术向商业化迈进。

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪

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大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性，系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点，并且结合AI深度学习，实现全自动缺陷识别与工艺反馈。

PL高精度成像：采用线扫激光，成像精度＜75um/pix（成像精度可定制）

支持 16bit 颜色灰度：同时清晰呈现高亮区域（如无缺陷区）与低亮区域（如缺陷暗斑）

高速在线PL检测缺陷：检测速度 ≤ 2s，漏检率 < 0.1%；误判率 < 0.3%

AI缺陷识别分类训练：实现全自动缺陷识别与工艺反馈

美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式，可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常，精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。

 

 

原文参考：Dual-Function Interface Engineering of SnO2 Electron Transport Layers: Wettability Enhancement and Work Function Tuning for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells and Minimodules

 

 

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