研究背景与挑战
PSC商业化的关键瓶颈在于缺陷钝化制程的再现性不足。本研究针对此领域面临的三大核心挑战：
1. 表面状态变异性：钙钛矿薄膜表面状态在不同批次、操作者间存在显著差异，即使微小的制程波动（温度、化学计量比、湿度）都会导致截然不同的缺陷分布，使钝化效果难以重现。
2. 最佳钝化剂浓度控制困难：传统策略需在缺陷修复与电荷传输间找到平衡点（最佳浓度C*），但表面状态变异导致既定最佳条件无法跨实验重现，甚至产生负面效果。
3. 常规钝化模式的固有限制：CP模式下钝化剂浓度变化显著影响其分布与能级对齐，影响再现性。过量钝化剂易形成残余粉末和低维相，导致界面电阻过高、器件性能下降，并存在初始稳定性问题。
研究团队与解决方法
这项关于钙钛矿太阳能电池（PSCs）缺陷钝化策略的研究，由西湖大学王睿和浙江大学薛晶晶教授共同领导的团队所完成。他们的研究成果发表在国际顶尖期刊 《自然能源》（Nature Energy）上。
研究团队提出「饱和钝化」（Saturated Passivation, SP）新策略，采用创新两步法解决上述挑战：
第一步：活性调控
使用氟化异丙醇（FIPA）降低钝化剂分子的反应活性和渗透能力，允许使用高浓度钝化剂确保所有表面缺陷充分钝化，同时避免过度反应和有害低维相的过度形成。
第二步：精确清洗
采用FIPA与异丙醇（IPA）混合溶剂进行漂洗，精确去除多余的非结合钝化剂分子，实现缺陷饱和钝化并保持低维层在适当厚度。
重点研究成果
Fig. 3i
1. FIPA溶剂的机理：FIPA中氟原子与铵盐钝化剂形成强氢键（H–F氢键），竞争性抑制钝化剂与PbI2的过度反应，有效降低钝化剂反应活性和渗透能力，避免有害低维相过度形成。
2. 显著拓宽操作窗口 ：SP策略对钝化剂浓度偏差具有高容忍度，相较传统CP模式提供更宽广的适当浓度范围，大幅提升制程再现性。
3. 器件性能
效率突破：n–i–p低带隙PSC达25.6%、p–i–n低带隙PSC达26.0%、p–i–n宽带隙PSC达23.0%、1 cm2大面积PSC达24.5%
稳定性改善：1000小时加速老化后仍保持超过80%初始PCE，初始稳定性显著优于CP器件
迟滞现象减少：缺陷钝化有效抑制离子迁移
4. 广泛普适性验证 SP策略适用于：
不同器件结构（n–i–p、p–i–n）
多种钙钛矿组成（不同Br含量）
多样制备技术（两步法、反溶剂沉积法）
不同制备环境（氮气、空气）
多种器件面积（对大面积器件效果更显著）
可透过浸泡法实现，具工业化潜力
实验步骤与过程
Fig. 4j
1. 钙钛矿薄膜制备 采用两种主要沉积方法验证SP策略普适性：
两步法：分层旋涂PbI2溶液和FAI/MACl溶液后退火，适用于n-i-p和p-i-n结构的低带隙及宽带隙钙钛矿
反溶剂沉积法：旋涂前驱体溶液过程中滴加反溶剂（茴香醚或乙酸乙酯）后退火
制备环境涵盖氮气手套箱（高纯度）和空气环境（25-30%湿度，模拟实际生产条件）。
2. 器件组装
基板结构：ITO或FTO玻璃基板上沉积电子/电洞传输层（SnO2、2PACz、NiOx/Me-4PACZ等）
SP钝化处理：高浓度铵盐钝化剂（PEAI等）溶于FIPA中旋涂至钙钛矿表面，随后用FIPA/IPA混合溶剂漂洗去除多余分子。p-i-n结构器件需短暂低温退火
替代方法：验证浸泡法替代旋涂法的可行性
电极完成：沉积电洞传输材料（Spiro-OMeTAD）或电子提取层（LiF/C60/BCP），最后蒸镀金属电极
3. 性能测试 标准条件下测量J-V特性曲线，获得PCE、VOC、JSC、FF等关键参数。所有测量均未经预处理，并特别针对1 cm2大面积器件进行工业化潜力评估。
表征方法与结果
准费米能阶分裂 (Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS)
评估钙钛矿薄膜缺陷钝化效果与非辐射复合损失抑制能力，QFLS提升直接关联器件VOC和FF改善。
经100 mM PEAI/FIPA处理的钙钛矿薄膜QFLSfilm改善幅度达17.5 mV，明显优于PEAI/IPA处理的12.8 mV。清洗步骤会因PEAI粉末溶解或2D相降解而降低改善幅度，但IPA清洗后的QFLSfilm改善幅度略高于FIPA清洗。SP处理后薄膜QFLSfilm持续改善，PL光谱中未观察到明显2D相发射峰，证实钝化效果稳定。
图S 12 展示100 mM PEAI/FIPA和PEAI/IPA处理薄膜在未清洗、FIPA清洗、IPA清洗三种条件下的QFLSfilm改善对比。PEAI/FIPA未清洗样品显示最高改善值(17.5 mV)，直观呈现不同溶剂处理与清洗步骤对缺陷钝化效果的影响。
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电流密度-电压 (J-V) 曲线
表征太阳能电池核心性能参数，反映器件电荷传输与整体光伏性能。
SP策略显著提升各种PSCs的PCE表现。Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n结构器件经PEAI-SP处理后，PCE达到25.5%（VOC = 1.17 V，FF = 83.00%，JSC = 26.30 mA cm-2）。该策略对不同组分钙钛矿（20% FAPbBr3或40% MAPbBr3掺杂）、不同制备方法及不同环境均展现优异通用性。SP钝化有效降低迟滞现象，归因于缺陷钝化抑制离子迁移。
图 4a 展示参考器件与PEAI-SP处理的Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n结构器件J-V曲线对比及PCE统计直方图。SP处理器件曲线更加「方正」，显示更高填充因子和功率转换效率，PCE分布更集中且平均值更高，突显SP策略在提升器件性能和可重复性方面的显著效果。
外部量子效率 (External Quantum Efficiency, EQE)
不同波长光照下将入射光子转换为输出电流的效率，直接反映器件光谱响应能力与太阳光利用有效性。测量采用EnliTech QE-R量子效率量测系统。
EQE光谱数据支持J-V曲线测得的JSC值，进一步验证器件在各光谱区域的性能表现，确认SP策略处理后器件的光电转换能力。
图S 22a 展示Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n结构器件EQE光谱。器件在可见光和近红外区域（约300-850 nm）展现高量子效率，峰值接近90%，证实器件在该波长范围具有高效光吸收和电荷收集能力。
最大功率点追踪 (MPP tracking)
在恒定光照和偏置电压下监测器件电流输出随时间变化，评估长期运行稳定性，特别是加速老化条件下的性能表现。
模拟加速老化测试条件下（65°C、N2手套箱中0.8倍太阳光照），SP策略展现稳定性。SP器件在1000小时测试后仍保留超过80%初始PCE，而传统钝化(CP)器件在最初260小时内PCE急剧下降，甚至低于对照组，归因于钝化剂过度渗透。SP器件初始稳定性明显优于CP器件，源于钝化剂渗透减少。
图S 34 比较未封装对照组、CP和SP器件在加速老化测试中归一化PCE随时间变化。SP器件PCE衰减速度最慢，展现最佳长期稳定性，而CP器件在测试初期即显现明显性能下降。
其他表征
1. 角分辨X射线光电子能谱 (AR-XPS) ：分析钝化剂分子在钙钛矿薄膜中的深度分布和穿透能力。证实FIPA-SP模式能高效移除深层PEAI，表面残留最少，增强钝化可重复性。(图 1d)
2. X射线绕射 (XRD) ：分析钙钛矿薄膜经钝化剂处理后的晶体结构变化和2D相形成。证实FIPA显著抑制PEAI粉末峰和2D相形成，有效抑制相变发生。(图 1e)
3. 光致发光光谱 (PL) ：评估非辐射复合损失抑制情况，PL强度反映缺陷钝化效果。显示FIPA具有钝化剂分子去除能力，IPA体积比增加时PL强度逐渐增强。(图 3g)
4. 扫描电子显微镜 (SEM) ：直接观察钙钛矿薄膜表面形态变化，特别是PbI2富集区域转化情况。证实FIPA抑制PEAI反应性，处理后PbI2富集区域(亮区)仍部分存在。(图 1g)
5. 核磁共振波谱 (NMR) 和 傅立叶变换红外光谱 (FTIR) ：研究溶剂、PbI2和钝化剂配体间分子相互作用机制。证实FIPA中氟原子与铵钝化剂形成强氢键，竞争性阻碍低维相形成。(图 2f)
6. 光伏参数统计分析 ：评估SP策略的通用性、可重复性和适用性。证实SP策略在各种器件中表现优异，1 cm2大面积PSCs的PCE从21.6%提升至24.5%。(图S 24a)
结论
研究团队成功开发饱和钝化（SP）策略，有效解决PSCs传统钝化方法因表面状态变异导致的效果不一致问题，显着提升器件效率、稳定性和重现性。
核心创新突破：
1. FIPA溶剂的关键作用：氟化异丙醇（FIPA）显着降低钝化剂分子与钙钛矿反应活性，相比传统异丙醇（IPA）确保缺陷钝化且不干扰电荷传输。FIPA拓宽操作窗口，使策略对钝化剂浓度变化、沉积方法和兼容钝化剂具有高耐受性，展现优异通用性。
2. 器件性能：实现多项效率突破：n–i–p低带隙PSC达25.6%、p–i–n低带隙PSC达26.0%、p–i–n宽带隙PSC达23.0%、1 cm2大面积PSC达24.5%。SP策略提供更宽钝化剂浓度操作范围（20-100 mM PEAI浓度下效率稳定保持25%），有效抑制迟滞效应，显着改善大面积器件性能。
3. 优异稳定性表现：加速寿命测试中（65°C、0.8太阳光照、N2环境），SP器件1000小时后仍保持超过80%初始PCE，而传统钝化（CP）器件在前260小时内显着衰退，甚至劣于未处理对照组，归因于SP策略有效减少钝化剂过度渗透。
4. QFLS显着改善：SP处理薄膜显示持续QFLS改善，100 mM PEAI/FIPA处理的薄膜QFLSfilm改善幅度达17.5 mV，明显优于PEAI/IPA的12.8 mV，在降低开路电压损失方面展现可重现的效果。
文献参考自Nature Energy_DOI: 10.1038/s41560-025-01791-z
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