王睿博士 ，西湖大学工学院特聘研究员，长期从事第三代太阳能电池的研究工作， 曾以第一作者或通讯作者身份在Nature (3篇)，Science (3篇)，Nature Photonics, Nature Chemistry，Joule，Advanced Materials，JACS，Matter，Nano Letters等旗舰杂志发表论文40余篇 ，研究成果被包括科学美国人，福布斯等多家知名媒体报道。入选福布斯中国30岁以下30人，福布斯亚太30岁以下30人，以及麻省理工科技评论全球35岁以下创新35人名单等。
薛晶晶博士，1993年出生，浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室“百人计划”研究员、博士生导师。入选国家级青年人才、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人”、福布斯中国30岁以下精英榜。2016年9月于南京大学化学化工学院取得学士学位，2020年5月于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院取得博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang 教授，期间曾赴斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹教授课题组访学，博士毕业后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院。目前主要从事金属卤化物钙钛矿光电材料与器件研究。先后共发表SCI论文40余篇， 其中以第一或通讯作者在Science、Nature、Nat. Photonics、Nat. Energy、Nat. Comm.、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、Joule、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表学术论文近 3 0篇。
2025年，两位博导合作已经发过N ature C hemistry 和N ature P hotonics ，今日，他们联手再发N ature E nergy ， 下面，就让小编带大家拜读一下这个最新研究成果。
金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率和低成本制备优势，被视为实现 太瓦级光 伏发电的有力候选技术。然而，在实际生产中， 要想实现高性能和规模化应用，关键一步就是稳定、有效地进行表面缺陷钝化 。然而，钙钛矿材料的表面状态在不同批次、操作者或实验室之间往往差异较大，这些差异来源于微小的工艺波动，如温度、配比、湿度或溶剂蒸发环境的变化。这些不可避免的波动会导致相同钝化方案在不同条件下效果差异显著，甚至适得其反。因此，开发一种对工艺偏差具备高度容忍度、在各种条件下都能稳定发挥作用的通用钝化策略，是提升器件可重复性和工业 量产良率 的关键，但目前仍面临巨大挑战。
在此， 西湖大学 王睿 研究员 及浙江大学 薛 晶晶 研究员 提出了 一种基于含氟异丙醇的钝化策略，只需在钙钛矿表面形成一层超薄的低维钙钛矿，即可实现对表面缺陷的全面钝化，同时 不影响电荷传输 。 含氟异丙醇可降低钝化剂分子与钙钛矿的反应活性，使我们能够使用较高浓度的钝化剂，确保缺陷被完全覆盖 。 之后，利用含氟异丙醇与普通异丙醇的混合溶剂进行冲洗，可有效去除多余的钝化剂分子。 这一方法具有宽松的工艺窗口，对钝化剂浓度的偏差容忍度高，并且适用于多种器件结构、钙钛矿配方以及不同尺寸的器件。最终可实现高光电转换效率，并有望在工业化生产中提升可扩展性与成品率。 相关成果以“ Fluorinated isopropanol for improved defect passivation and reproducibility in perovskite solar cells ”为题发表在 《N ature E nergy 》 上，第一作者为 王思 思 。
钙钛矿中的渗透和嵌入
作者 利用角分辨X射线光电子能谱研究了不同模式下钝化剂在钙钛矿中的渗透情况（图1a）。传统钝化（CP）是将钝化剂一次性滴加在钙钛矿表面，而饱和钝化（SP）则在滴加后额外用溶剂冲洗。 作者 使用带有氟取代的异丙醇（FIPA）作为新型溶剂，它比普通异丙醇（IPA）更温和，不易与钙钛矿发生反应，使得在高浓度钝化条件下也不会引发材料结构变化 。通过比较不同电子发射角度下钝化剂PEAI的分布情况， 作者 发现CP模式下PEAI容易在表面堆积，浓度选择对钝化效果影响大，而SP模式特别是在FIPA-SP中，可以有效去除多余的钝化剂，使其分布更均匀、残留更少 （图1b–d）。此外， 作者 进一步用XRD和SEM观察了材料结构变化：PEAI/IPA容易诱导形成不利的二维钙钛矿相，而PEAI/FIPA则大幅抑制了这种结构转变（图1e–g），保持了原始钙钛矿结构和表面形貌。整体结果表明，FIPA在SP模式下能显著抑制钝化剂与钙钛矿的反应与渗透，并高效清除多余分子，从而提升钝化一致性与器件性能。
图 1：配体的渗透和嵌入
反应迟缓的机理
为揭示为何在 FIPA溶剂中PEAI与钙钛矿的反应性降低，研究团队系统分析了溶液中的化学相互作用机制（图2）。他们提出两种可能机制：机制 1 认为FIPA中强电负性的氟原子会影响溶剂中的羟基（–OH），进而抑制PEAI与 PbI ₂ 的反应；机制 2 则认为氟原子能与胺类钝化剂形成氢键，减少PEAI与 PbI ₂ 的结合能力。 通过傅里叶 红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）实验，研究发现虽然IPA和FIPA都能通过–OH与 PbI ₂ 形成氢键，但这并非影响反应性的关键，因为即便在更强氢键能力的DIPA中， PbI ₂ 仍 能与 PEAI充分反应（图2a–b）。另一方面，19F-NMR结果显示FIPA中的氟原子与 PbI ₂ 几乎无作用（图2c），但在PEAI与FIPA的混合样品中，19F-NMR和1H-NMR均显示PEAI的氨基（–NH ₃⁺ ）与 氟发生 显著相互作用（图2e–f）。这些氟–氢键抑制了PEAI的带电状态，使其更稳定且不易与 PbI ₂ 发生反应，从而减少了 二维相的 形成。综上， 研究证实FIPA通过机制 2 ，即F原子与钝化剂形成氢键，削弱其与 PbI ₂ 的亲和性，有效降低了低维相的生成倾向.
图 2：反应迟缓的机理
深入了解饱和钝化
研究人员系统评估了“饱和钝化” 各步骤对钙钛矿表面缺陷钝化与界面电荷传输的影响，发现传统使用IPA或FIPA进行高浓度（100 mM）PEAI钝化虽能抑制非辐射复合，但会在表面残留PEAI粉末并生成低维相，带来高界面电阻，反而损害器件性能。相比之下，FIPA具有更强的洗脱能力，能有效清除残留物且避免形成低维相，从而降低界面电阻，但因钝化分子过度去除，非辐射复合抑制不足，效率未明显提升。进一步对比不同组合策略（如IPA沉积+FIPA清洗，FIPA沉积+IPA清洗）后，研究者发现IPA在清洗阶段的引入能提 升钝化效果。于是他们优化 SP策略，在FIPA洗液中引入5–40% IPA，显著提升了钙钛矿膜的光致发光强度，并在器件中实现了超过参考器件的效率表现（图3g,h）。当PEAI浓度在20–100 mM范围内，效率稳定维持在约25%，优于传统方法（22%），并在多种钝化剂（如 OATsO ）中展现良好适应性，其中最佳器件效率高达25.56%（图3i）。该结果表明， 经IPA辅助的FIPA-SP策略不仅拓宽了工艺窗口，还提升了器件一致性和通用性，为钙钛矿光伏器件的大规模可控生产提供了更优解。
图 3： 增强 SP 的有效性
对各种钙钛矿器件的普遍适用性
在不同配方和制备条件下稳定提升钙钛矿电池效率一直是难题，因为传统固定浓度钝化策略常因批次差异效果不一。 研究团队提出的升级版 SP钝化方法（以20 mM钝化剂/FIPA溶液配合15% IPA洗涤）展现出优异的通用性，无论钙钛矿组成、制备方法、环境或器件结构如何，都能实现稳定高效的钝化效果。 例如，n– i –p结构器件效率达25.5%，而应用于不同 溴 掺杂比例或抗溶剂法制膜的器件，效率同样提升至23.2%~26.0%（图4a–e）。即便在空气中制膜，该方法也将FAPbI3器件效率从22.4%提升至24.9%（图4f）。 在大面积器件中（ 1 cm ² ），SP方法提升幅度更显著，从21.6%增至24.5%（图4g–h），凸显其对缺陷密度增加的补偿作用。此外，研究还展示了SP方法在浸泡工艺中的应用可替代旋涂工艺，简化了大规模生产流程，同时效率依然超过24%（图4i）。更进一步，光谱分析表明该方法可抑制低维相生成，同时提升准费米能级差（QFLS），显著改善界面质量。加速老化测试（ISOS-L-3-65°C）表明，SP处理器件不仅初始效率高（23.9%），且在1,000小时后仍保留80%以上性能，稳定性远优于传统钝化方法（图4j）。这 些结果充分证明SP策略具有广泛适应性和工业应用潜力。
图 4： SP 策略的 普适性
小结
本研究提出的“饱和钝化策略”是一种高效、稳定且可重复的钙钛矿太阳能电池表面缺陷修复方法。该策略先使用高浓度钝化剂溶于FIPA处理钙钛矿表面，再用IPA与FIPA混合溶液洗涤，去除多余分子，从而显著解决了因表面状态变化导致的钝化不一致问题。其关键机制在于FIPA中氟原子与钝化剂之间形成的强氢键（H–F），抑制了钝化剂与三维晶格的过度反应。 这一方法在多种钙钛矿配方和器件结构中均展现出优异的光电转换效率（PCE），具有广泛适用性和工业应用前景（见图）。该研究不仅揭示了稳定高效钝化的分子机制，也为开发更先进的钝化技术提供了理论基础和实践路径。
来源：高分子科学前沿
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