接触角测量揭示TTC疏水层对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响

有机卤化铅钙钛矿材料因优异光电性能推动钙钛矿电池的研究，但该电池存在不稳定性，尤其对水分敏感，影响其商业应用。

TTC层在钙钛矿的晶界上有效地沉积，对晶粒表面和晶界进行了钝化，从而减少了钙钛矿太阳能电池的界面复合，在钙钛矿薄膜上的疏水小分子 TTC 形成了一层防水层，保护钙钛矿免受水分损害。

本文研究了一种有机小分子四十二烷作为平面p-i-n 钙钛矿电池的中间层。通过引入TTC层，实现了高功率转换效率（PCE）和高填充因子（FF），同时TTC层作为一种疏水层，有效保护了钙钛矿膜免受水分损害，提高了电池的长期稳定性，在空气中连续暴露200小时后，仍保持了87%的初始效率。

钙钛矿前驱体的制备

混合：将 MAI、PbI2 和 DMSO 粉末按照 11 的摩尔比例混合在无水 DMF 中。溶解：将上述混合物在室温下搅拌过夜，以确保充分溶解。

过滤：使用 0.22 μm PVDF（聚偏氟乙烯）滤膜对溶液进行过滤，以去除可能存在的不溶性颗粒或杂质。

制备：完成过滤后的钙钛矿前驱体溶液用于下一步的旋涂过程。钙钛矿太阳能电池的制造

用ITO（铟锡氧化物）玻璃基底，首先用洗涤剂清洗，然后依次用去离子水、丙酮和异丙醇冲洗。用氮气吹干后，进行紫外臭氧处理10分钟，以清洁和粗糙化基底表面，增强后续层的附着力。

整个制造过程在室温下、空气中进行，确保了工艺的可扩展性和低成本性。通过精确控制每一层的厚度和质量，以及优化各层之间的界面，可以显著提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。钙钛矿太阳能电池性能的评估

钙钛矿太阳能电池的结构及相关材料特性

钙钛矿太阳能电池的层级结构：包括ITO基底、空穴传输层、钙钛矿层、TTC钝化层、C60电子传输层、BCP和Ag电极。

TTC层位于钙钛矿层和C60电子传输层之间，作为钝化材料，有助于减少界面复合并提高电子提取效率。

TTC/C60涂层的钙钛矿薄膜的衍射峰强度显著降低，这可能是由于TTC改善了钙钛矿表面的覆盖率。对不同钝化层的钙钛矿薄膜进行了UV-Vis光谱测量。与原始钙钛矿相比，含有各种钝化层的薄膜显示出类似的吸收行为，表明TTC层对光吸收的影响较小。

结果表明，TTC层的引入有效地改善了钙钛矿表面的覆盖率和晶体质量，同时对光吸收的影响较小，有助于提高电池的性能和稳定性。不同钝化层对钙钛矿表面和电荷复合的影响

钙钛矿太阳能电池表面形貌和电荷动力学

顶视SEM图像：原始钙钛矿的图像显示了钙钛矿的典型表面特征，包括晶粒和晶界。

TTC层沉积在钙钛矿表面，有助于填充晶界和表面缺陷，减少表面粗糙度。C60层同样可以覆盖钙钛矿表面，减少表面粗糙度。TTC和C60的组合涂层进一步改善了表面形貌，提供了更均匀和平滑的表面。

AFM图像：通过比较钙钛矿、TTC/钙钛矿、C60/钙钛矿和C60/TTC/钙钛矿薄膜的AFM图像，可以看出TTC和C60的引入显著降低了表面粗糙度，其中TTC/C60组合涂层效果最佳。

TRPL光谱：原始钙钛矿显示出较长的荧光寿命，表明高质量的钙钛矿薄膜。C60涂层的TRPL寿命显著缩短，表明电子从钙钛矿到C60的快速转移。TTC涂层的TRPL寿命与原始钙钛矿相似，表明TTC的绝缘性质阻止了电子的转移。TTC/C60涂层的TRPL寿命增加，表明TTC层改善了电子的提取和减少了界面复合。

PL光谱：原始钙钛矿具有最强的PL强度，峰位在774 nm；C60涂层的PL强度降低，峰位蓝移至771 nm，表明表面和晶界陷阱态的减少；TTC涂层的PL强度进一步降低，表明TTC层有效地钝化了钙钛矿表面的缺陷态。

TTC和C60的引入不仅改善了钙钛矿薄膜的表面质量，还显著提高了电子提取效率和减少了界面复合，从而提高了钙钛矿太阳能电池的性能。钙钛矿太阳能电池的光伏性能

钙钛矿电池光电性能和稳定性测试结果

随着TTC 厚度增加到1nm 及以上，电池性能显著提升，TTC 厚度为 2nm 时达到最佳，此时Voc略微升高至 1.084V，Jsc提高到 23.07mA/cm²，FF 增加至 79.41%，PCE 达到 20.05% 的高效率。

当 TTC 厚度超过 3nm时，由于电子隧穿困难，电池性能严重下降。这表明 TTC 层的厚度对电池性能有着关键影响，合适厚度的 TTC 层能够有效优化电池的光电转换性能。

在350 - 800nm 波长范围内，TTC 修饰的电池EQE 响应增强。通过 EQE 光谱积分计算得到的电流密度分别为 20.99mA/cm²（对照）和 22.01mA/cm²（TTC），与太阳能模拟器测量得到的Jsc值吻合，说明 TTC 层有助于提高电池对光生载流子的收集效率。

带有 TTC 层的电池滞后现象可忽略不计，而仅含C60的电池存在明显滞后。这说明TTC钝化层能够有效阻塞晶界处的离子迁移通道，减少离子迁移对光电流滞后的影响，从而提高电池的稳定性和重复性。

TTC层的引入显著提高了电池的光电性能，包括提高PCE、减少J-V迟滞、降低暗电流密度和改善电子提取效率。此外，TTC层还有助于提高电池的稳定性和抑制离子迁移。不同涂层的表面润湿性（接触角）测试

电池稳定性曲线和接触角测试

设备稳定性测试

在连续光照下，未添加TTC层的电池效率随时间显著下降。

添加TTC层的电池显示出更好的稳定性，即使在长时间光照后，仍能保持较高的效率。这表明TTC层有效保护了钙钛矿层免受水分和氧气的侵蚀。

接触角测试

接触角分析：通过测量水接触角来评估不同涂层钙钛矿薄膜的表面润湿性。

原始钙钛矿：展示了相对较小的接触角，表明表面亲水性较强。

钙钛矿/C60：C60层的引入略微改善了表面的疏水性，接触角有所增加。

钙钛矿/TTC：TTC层的引入显著提高了表面的疏水性，接触角达到103°，表明TTC层能有效阻止水分的渗透。

钙钛矿/TTC/C60：尽管C60层的加入略微降低了接触角，但仍然保持在91°的较高水平，表明TTC和C60的组合涂层仍然提供了良好的疏水保护。

在稳定性方面，对不同薄膜的接触角测量表明，TTC 薄膜具有高达103°的水接触角，展现出极强的疏水性。这一特性有效阻止了水向钙钛矿内部的渗透，在其表面形成良好的防水层。美能接触角测试仪CAT-S

美能接触角测试仪CAT-S采用光学成像的原理，通过图像轮廓分析方式测量样品表面接触角、润湿性能、表界面张力、表面能、滚动（滑落角）、前进后退角等性能。

• 国内首创接触角前10s缓存回放
• 具有自动滴液功能

动静态接触角、表面能、表界面张力等测量功能

在钙钛矿太阳能电池的研究和开发中，对材料表面特性的精确测量至关重要。美能接触角测试仪CAT-S通过其先进的光学成像原理和图像轮廓分析技术，我们能够精确测量样品表面的接触角、润湿性能、表界面张力和表面能等关键参数，提供了关于TTC层疏水性能的重要数据，这些数据对于优化电池设计和提高电池稳定性至关重要。

原文出处：Surface Passivation of Perovskite Solar Cells Toward Improved Efciency and Stability

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