提升钙钛矿太阳能电池稳定性: 超薄等离子体聚合物钝化层的双重保护

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金属卤化物钙钛矿太阳能电池(MHPSCs)因其高效率和低制造成本而备受关注，但其在环境条件下的长期稳定性仍然是主要挑战。然而，其在环境应力下的长期操作稳定性仍然是商业化的关键限制。在此研究中，科学家探索了一种使用超薄金刚烷基等离子体聚合物(ADA)薄膜的双重钝化策略，通过遥控等离子体辅助真空沉积(RPAVD)沉积，以增强MHPSCs的环境稳定性。ADA层同时引入于电子传输层(ETL)/钙钛矿层和钙钛矿层/空穴传输层(HTL)界面，提供与精细钙钛矿薄膜兼容的均匀、透明且热稳定的涂层。这种方法不仅能够钝化界面缺陷，还能作为阻挡湿气和紫外线引起的降解。结合ADA层的器件在苛刻条件下表现出显著提高的稳定性，在长时间过渡暴露于湿度和连续照明下，仍能保持其初始效率的80%(经过4000分钟)。这些结果展示了多功能等离子体聚合物涂层在钙钛矿太阳能电池可扩展且高耐久制造中的潜力。

a)针对基于金刚烷等离子体聚合物薄膜(ADA)的夹心结构的太阳能电池制备工艺示意图。 b)太阳能电池结构的示意图，其中在钙钛矿/空穴传输层(HTL)和电子传输层(ETL)/钙钛矿界面均加入了ADA层。(消息来源：Materials Today Energy: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2025.102117)

科学家提出使用遥控等离子体辅助真空沉积(RPAVD)技术沉积的超薄金刚烷等离子体聚合物(ADA)薄膜，作为n-i-p钙钛矿太阳能电池结构中ETL/钙钛矿和钙钛矿/HTL界面的钝化材料。该等离子体聚合物薄膜通过在遥控微波等离子体存在下对金刚烷粉末前驱体进行真空升华一步制备而成。RPAVD在室温下进行，可兼容高度敏感的基底和大面积基板。此前的研究表明，ADA薄膜在等离子体辅助沉积后仍保留笼形金刚烷骨架，保持关键分子特征，并通过光谱技术(如FTIR、XPS)得到验证。所得ADA薄膜在可见光和紫外光范围内透明，热稳定性高达250 ºC，不溶于水，可作为有机支持纳米结构的一致保护层。厚度为200 nm的ADA层已被证明能够作为高效封装材料用于MHPSCs，保护其免受水浸和湿度影响。

此外，在最近的研究中，科学家证明超薄ADA薄膜是ETL/钙钛矿界面的可靠钝化层，可在不影响PSCs效率的情况下改善湿度稳定性和器件可重复性。值得注意的是，使用5 nm ADA层进行钝化的器件在所有测试厚度中表现出最高的电荷收集效率。基于这些研究结果，本研究将探索范围扩展到钙钛矿层本身，评估ADA薄膜对钙钛矿层及整体性能和稳定性的影响。提供了对双重钝化策略的全面评估，强调其在稳定高效钙钛矿太阳能电池中的潜力。

在钙钛矿/空穴传输层界面加入ADA层的太阳能电池示意图。b)钙钛矿太阳能电池在钙钛矿/Spiro界面使用金刚烷等离子体聚合物薄膜作为钝化层时的电流密度-电压曲线。

研究表明，6纳米厚的ADA层不足以完全防止钙钛矿材料因水分引起的降解;然而，在高湿度环境中，它确实提供了一定程度的物理保护。事实上，PVK/Spiro界面的ADA中间层提高了钙钛矿太阳能电池在潮湿条件下(室温下相对湿度为70%)的稳定性，保留了初始效率的60%，而参考样品的效率下降到初始效率的40%。阻抗分析表明，稳定性的提升与移动离子缺陷的抑制(钝化)有关。这些缺陷通常积聚在界面处，导致额外的复合路径，这主要降低了未保护参考太阳能电池的开路电压。这一观察结果与钝化样品中稳态光致发光强度的增加一致。

另一方面，用超薄的ADA薄膜保护ETL/PVK和PVK/HTL界面，使得太阳能器件在4000分钟的湿度测试(室温下100%相对湿度)后，仍能保持近80%的初始效率，而参考样品的效率下降至40%。双钝化钙钛矿太阳能电池的稳定性提升不仅归因于对潮湿环境的保护作用，还由于缓解了TiO2在紫外光辐射下光催化效应引起的降解。这表明，通过RPAVD技术沉积的ADA层具有作为多功能材料的潜力，既可作为界面的防潮层，也可作为纳米级涂层来改善钙钛矿太阳能电池的稳定性。单一材料能够在器件中执行多重功能，这在钙钛矿太阳能电池的工业化可扩展加工中具有关键优势。