在太阳能领域，钙钛矿太阳能电池因其高效率和可调整的光电性能而备受瞩目，但其稳定性却是一个难题。然而，如何进一步提高其稳定性和效率，一直是科研人员努力的方向。钙钛矿太阳能电池的效率和寿命通常受非辐射缺陷介导的电荷复合的影响，这会导致电池性能下降。因此，如何减少这些缺陷，成为提高钙钛矿太阳能电池稳定性的关键。近日，一项发表在Science杂志上的研究，为钙钛矿太阳能电池的发展带来了新突破。

这项研究由牛津大学和香港科技大学的研究团队共同完成，他们发现了一种基于氨基硅烷分子的表面钝化技术，可以显著降低钙钛矿太阳能电池的电压光亏损，并提高其稳定性。使用一系列具有不同类型胺（一级胺、二级胺、三级胺或它们的组合）的氨基硅烷分子，可以对钙钛矿太阳能电池进行表面钝化。这种钝化技术不仅可以减少钙钛矿表面的缺陷，还可以提高其光致发光量子产率（PLQY）和晶体有序性。

一、研究背景

研究问题：本文探讨了一种新型的氨基硅烷（amino-silane）分子用于金属卤化物钙钛矿太阳能电池的钝化，旨在减少光电压损失，提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

研究难点：尽管金属卤化物钙钛矿被认为是“缺陷容忍型”，但其效率和长期稳定性仍受到非辐射缺陷介导的电荷复合的限制，尤其是在高温和高湿度环境下。

关键论点：氨基硅烷钝化能将光电压缺陷降低至约100毫伏，超过90%的热力学极限。采用氨基硅烷处理的钙钛矿太阳能电池在85°C的环境中，开放电路条件下保持95%的功率转换效率超过1500小时。

相关工作：研究表明，氨基基团与钙钛矿表面之间的强相互作用有助于改善钙钛矿薄膜的光致发光量子产率（PLQY），并抑制非辐射复合。

二、研究方法

本文采用氨基硅烷分子进行钝化处理，具体方法如下：

氨基硅烷分子的结构：研究中使用的氨基硅烷分子包括APTMS、PTMS、MAPTMS、DMAPTMS、AEAPTMS和(AE)₂APTMS，图1A展示了这些分子的结构。

处理过程：采用气相沉积法将氨基硅烷分子沉积到钙钛矿薄膜上。具体步骤包括将氨基硅烷分子放置于加热的培养皿中，使其蒸发，然后将钙钛矿薄膜置于蒸汽中进行处理。此过程的示意图见图1C。

性能评估：通过光电流-电压（J-V）特性测试评估钙钛矿太阳能电池的性能。

表面分析：使用广角X射线散射（GIWAXS）和扫描电子显微镜（SEM）分析处理后薄膜的晶体结构和表面形貌。图2展示了氨基硅烷与钙钛矿表面相互作用的结构分析结果。

三、实验设计

样本选择：选择了混合阳离子和混合阴离子的钙钛矿薄膜，具体为Cs₀.₁₃FA₀.₈₇Pb(I₀.₉Br₀.₁)₃（Cs₁₃Br₁₀）和Cs₀.₁₅FA₀.₈₅Pb(I₀.₆Br₀.₄)₃（Cs₁₅Br₄₀），并对其进行氨基硅烷处理。

数据收集：通过J-V曲线测量太阳能电池的光电性能，并进行光致发光量子产率（PLQY）测量，记录处理前后的变化。图3展示了AEAPTMS处理的钙钛矿太阳能电池的J-V特性。

处理参数：在85°C、相对湿度50%至60%的环境中进行老化测试，观察电池在不同时间段的性能变化。图4展示了AEAPTMS处理和参考样品在老化过程中的MPP效率演变。

四、结果与分析

光电性能：经过氨基硅烷处理的钙钛矿太阳能电池在不同的波段能带隙下展现出显著的光电性能提升，特别是在基于Cs₁₃Br₁₀的电池中，PCE达到了22.6%。这些结果显示了AEAPTMS的优越性。

PLQY提升：处理后的钙钛矿薄膜的PLQY显著提高，特别是AEAPTMS处理的薄膜，PLQY从~6%提升至~24%。这表明氨基硅烷钝化显著减少了非辐射复合损失。

稳定性测试：在85°C和高湿度条件下，AEAPTMS处理的电池在1500小时后仍保持95%的功率转换效率，显示出卓越的长期稳定性。

表面和结构分析：GIWAXS和SEM分析表明，氨基硅烷处理对钙钛矿薄膜的晶体结构有显著影响，APTMS处理的薄膜晶体结构受到了较大破坏，而AEAPTMS和(AE)₂APTMS处理的薄膜则保持了较好的晶体有序性。

五、总体结论

本文通过引入氨基硅烷分子进行钝化，显著改善了金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电性能和长期稳定性。AEAPTMS处理的钙钛矿太阳能电池在高温和高湿度条件下展现出优异的性能，预示着其在未来钙钛矿太阳能电池技术中的广泛应用潜力。

六、论文点评

1. 优点与创新

采用氨基硅烷分子进行气相钝化，显著降低了钙钛矿太阳能电池的光电压损失，达到接近热力学极限的性能。

研究表明，氨基硅烷处理的钙钛矿太阳能电池在高温和高湿度条件下表现出优异的长期稳定性，保持95%的功率转换效率超过1500小时。

论文提出了一种通用的钝化策略，适用于带隙在1.6至1.8电子伏特的钙钛矿材料，拓展了其在串联太阳能电池中的应用潜力。

2. 不足与反思

虽然氨基硅烷处理显著提高了光致发光量子产率，但在实际太阳能电池中，效率提升的幅度未能完全反映出来，存在性能转化的差距。

对于不同类型的氨基硅烷分子对钙钛矿薄膜的影响尚未有明确的机制解释，进一步的研究需要明确其作用机理。

论文中对氨基硅烷的不同处理时间和条件的影响探讨不够深入，可能影响最终的钝化效果。

未来的研究应集中在优化钝化策略以适应更广泛的钙钛矿材料组合，以解决当前针对窄带隙钙钛矿的钝化策略局限性。

七、论文十问

1. 论文试图解决什么问题

论文试图解决金属卤化物钙钛矿太阳能电池中非辐射缺陷介导的电荷复合问题，特别是光电压损失的问题。

2. 这是否是一个新的问题？

是的，尽管钙钛矿材料被认为是“缺陷容忍”的，但其在高效能和长期稳定性方面仍然面临挑战，特别是在光电压损失方面。

3. 这篇文章要验证一个什么科学假设？

文章验证了氨基硅烷分子能够有效钝化钙钛矿表面的缺陷，从而提高其光电转换效率和长期稳定性。

4. 有哪些相关研究？如何归类？谁是这一课题在领域内值得关注的研究员？

相关研究包括氨基硅烷、分子钝化及其对钙钛矿材料性能的影响，值得关注的研究员包括H.J. Snaith和M.B. Johnston等。

5. 论文中提到的解决方案之关键是什么？

关键在于采用气相氨基硅烷处理，显著降低光电压缺陷并提高光致发光量子产率。

6. 论文中的实验是如何设计的？

实验设计包括使用不同类型的氨基硅烷对钙钛矿薄膜进行处理，并评估其对光电性能和稳定性的影响。

7. 用于定量评估的数据集是什么？代码有没有开源？

数据集包括光电流-电压特性和光致发光量子产率等，论文未提及是否有开源代码。

8. 论文中的实验及结果有没有很好地支持需要验证的科学假设？

有，实验结果显示氨基硅烷处理显著降低了光电压缺陷，并提高了光电转换效率，支持了研究假设。

9. 这篇论文到底有什么贡献？

论文为钙钛矿太阳能电池的缺陷钝化提供了新的解决方案，并展示了氨基硅烷在提升电池性能和稳定性方面的潜力。

10. 下一步呢？有什么工作可以继续深入？

下一步可以研究不同氨基硅烷分子的作用机制，并探索其在更广泛钙钛矿材料中的应用，以实现更高的光电性能。

**八、**未来展望

这项研究不仅为钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的思路和方法，还为其他光电子器件的稳定性提高提供了借鉴。随着研究的深入和技术的不断进步，相信未来钙钛矿太阳能电池将在能源领域发挥更加重要的作用。

通过这项研究，我们看到了氨基硅烷分子在钙钛矿太阳能电池中的巨大潜力。它们不仅能够减少缺陷、提高稳定性，还能够为太阳能电池的性能提升开辟新的道路。让我们期待未来更多关于钙钛矿太阳能电池的创新成果，共同推动能源领域的进步与发展。

来源: 光伏大数据