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TESCAN的ToF-SIMS再次助力科研成果荣登顶刊《nature》
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编者荐语：
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以下文章来源于研之成理。
第一作者：Shun Zhou, Shiqiang Fu, Chen Wang
通讯作者：Guojia Fang，Weijun Ke
通讯单位：武汉大学
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06707-z
研究背景
全钙钛矿串联太阳能电池有望超越单结太阳能电池的肖克利-奎塞尔(Shockley–Queisser)极限。然而，由于全钙钛矿串联电池中混合锡铅（Sn-Pb）窄带隙子电池的性能和稳定性不佳问题，目前这些电池的实际应用受到了阻碍。
研究问题
本研究将重点放在窄带隙子电池上，并为它们开发了一种一体化掺杂策略。本研究在聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)底层和钙钛矿层中引入盐酸天冬氨酸盐（AspCl），然后再进行一次 AspCl 后处理。本研究表明，单一的 AspCl 添加剂就能有效地钝化缺陷、减少 Sn4+ 杂质并移动费米能级。此外，AspCl-Sn/Pb iodide 和 AspCl-AspCl 的强分子键可以强化结构，从而提高锡铅钙钛矿的稳定性。最终，在掺入 AspCl 的锑铅钙钛矿太阳能电池中，单结电池的功率转换效率达到 22.46%，串联电池的功率转换效率达到 27.84%（27.62% 已稳定，27.34%已认证），在充满 N2 的手套箱中储存2,000 小时后，保留率达到 95%。
图文解析
图1| NBG 锡铅钙钛矿中 AspCl 的制备与机理
要点：
1.本研究将手性盐酸天冬氨酸（AspCl）分子掺入底部聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）PEDOT:PSS（PEDOT）、中间钙钛矿吸光层（Bulk）和顶部封顶层（POST）（图 1a），从而开发出一种一体化的 Sn-Pb PSCs 掺杂方法。AspCl 分子由三个功能分子组成（图 1b）。Cl- 阴离子可抑制碘空位的形成，氨基可与 I- 相互配合以减少捕获态并抑制碘离子的迁移，羧基可与铅和锡离子相互配合以抑制钙钛矿分解。
2.此外，两个 AspCl 分子中的氨基和羧基可以通过分子间氢键相互结合，形成钙钛矿体薄膜的主体以及钙钛矿体/底部空穴传输层（HTL）和钙钛矿体/顶部盖层的界面。因此，这种 AspCl 掺杂策略为钙钛矿创造了一个内部分子锁（图 1c），可以有效地钝化表面缺陷并提高器件稳定性。
3.为了评估 AspCl 在锡铅钙钛矿器件中的有效性，本研究制作了单结锡铅 PSC（图 1d），并测试了它们在不同处理条件下的性能（图 1e）。经过优化，PEDOT、Bulk和 POST 处理的 AspCl 浓度分别为 4 mg ml-1、0.2 mg ml-1和 1 mol%。结果表明，AspCl 的加入能显著提高器件的性能。
图2| NBG Sn-Pb 钙钛矿薄膜的表征
要点：
1.本研究进行了一系列表征，以研究性能提升的因素。首先通过扫描电子显微镜(SEM) 测量评估了薄膜的形态。如图 2a,b所示，所有薄膜的晶粒尺寸相似，但晶界存在明显差异，原子力显微镜 (AFM) 测量也证实了这一点。对照薄膜在晶界处显示出明亮的颗粒，主要是由于 PbI2含量过高。值得注意的是，薄膜前驱体中使用了硫氰酸铅来增大钙钛矿晶粒，这也是导致晶界出现过量 PbI2的原因之一。然而，其他三个样品都没有显示出过量的 PbI2，这对提高器件性能是有益的，因为如果钙钛矿薄膜中没有过量的 PbI2，就会减少滞后行为，提高器件稳定性。
2.为了进一步研究薄膜的晶体质量，本研究进行了 X 射线衍射（XRD）测量。如图 2c所示，所有XRD 图谱都显示出相似的特征峰和峰位，表明 AspCl 没有改变晶体结构。与扫描电镜结果一致，只有对照样品在 12.7° 处出现了一个额外的峰值，与 PbI2 的 (001) 峰值相对应。因此，引入 AspCl 可减轻钙钛矿薄膜中 PbI2 的过剩存在。
3.紫外-可见（UV-vis）吸收光谱显示，与对照样品相比，含有 AspCl 的钙钛矿薄膜的吸收能力略强。这种增强主要归因于 AspCl 的引入改善了薄膜的质量。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）结果表明，虽然 O- 和 Cl- 分布在整个钙钛矿薄膜中（图 2d、e），但它们主要集中在顶部和底部界面，这是因为 AspCl-SnI2/PbI2和 AspCl-AspCl 的键合很强，这一点已通过 DFT 计算得到证实。对器件进行的偏置和光浸泡稳定性测试证实了 AspCl 阻止离子迁移的能力。
图3| 单结 NBG 锡铅 PSC 的性能
要点：
1.根据上述结果，所得太阳能电池的性能得到了提高。图 3a展示了采用控制和目标钙钛矿体薄膜的器件的横截面 SEM 图像，显示了相似的形态。图 3b 比较了性能最佳的对照器件和目标器件的 J-V 曲线。根据反向（正向）电压扫描测量，最佳控制 PSC 的 J-V 曲线得出的 Jsc、Voc、填充因子 (FF) 和功率转换效率 (PCE) 分别为 30.99 (29.58) mA cm-2、0.81 (0.81) V、72.35 (65.69)% 和 18.20 (15.74)%。相比之下，最佳目标 PSC 的 Jsc、Voc、FF 和 PCE 值均有显著改善，分别为31.69 (31.77) mA cm-2、0.89 (0.88) V、79.90 (77.96)% 和 22.46 (21.80)%。一家独立实验室也认证了 21.72% 的超高PCE。根据对照电池和目标电池的外部量子效率 (EQE) 曲线得出的综合 Jsc 值分别为 30.47 mA cm-2 和 31.51 mA cm-2（图 3c），与根据 J-V 曲线得出的 Jsc值一致（图 3b）。
2.相应的控制器件和目标器件在最大功率点的稳态输出（SPO）效率分别为 15.91% 和22.14%（图 3d），这也与 J-V 曲线（图 3b）确定的数值一致。除了效率，AspCl 修饰还提高了太阳能电池的稳定性。图 3e 所示的器件在恒定 1 太阳光照下的最大功率点（MPP）跟踪稳定性测试表明，在 55 ℃、充满氮气的手套箱中工作 100 小时后，未封装的目标器件保持了 80% 的初始效率。相比之下，对照器件在相同条件下只运行了 30 小时就保持了 80% 的原始效率。
3.图 3f 显示了封装并储存在充满N2 的手套箱中的装置的储存稳定性。在室温下存放 2,000 小时后，目标样品的 PCE 下降到原始值的 92%，而对照器件的 PCE 在相同条件下仅存放 750 小时后就已下降到原始值的 80%。这些结果表明，添加 AspCl 能显著提高锡铅 PSC 的效率和稳定性。
图4| 2T 全长晶串联太阳能电池的性能
要点：
1.本研究使用 NBG Sn-Pb PSCs 作为底部子电池，WBG（FA0.8Cs0.2PbI1.8Br1.2）PSCs 作为顶部子电池，制作了单片两端（2T）全钙钛矿串联太阳能电池（图 4a,b）。最终，在反向（正向）电压扫描下测量（图 4c），本研究的性能最好的串联器件显示出 16.02 (16.06) mA cm-2的高 Jsc、2.11 (2.12) V 的 Voc、82.20 (78.47) % 的 FF 和 27.84 (26.75) % 的 PCE，以及 27.62% 的 SPO 效率（图4d）。一家独立实验室也证明，反向和正向电压扫描的效率分别为 27.34% 和 27.12%。底部 NBG 和顶部WBG 子电池的 Jsc 值由 EQE 光谱综合得出（图 4e），与 J-V 测量和认证结果得出的 Jsc 值一致。
总结与展望
本研究设计的钙钛矿太阳能电池具有的长期运行稳定性和货架储存稳定性。在 55 ℃、1 个太阳持续照射 380 小时后，未封装串联器件的 PCE 保持了原始 PCE 的 80%。此外，经过封装的串联器件在室温下的氮气环境中存放 2,000 小时后，其 PCE 仍保持了初始 PCE 的 95%，这表明该器件具有在未来生产高效率、高稳定性串联太阳能电池的潜力。
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双束电镜-飞行时间二次离子质谱联用方案
