北京理工大学陈棋/朱城AM：ZrNx阻挡层的非晶-结晶界面工程用于稳定的反式钙钛矿太阳能电池

金属卤化物钙钛矿太阳能电池为下一代光伏技术开辟了一条新的途径，它制造成本低且具有高光电转化效率。然而，长期稳定性仍是阻碍商业化的关键问题。在目前的钙钛矿太阳能电池中，原子/离子/分子间相互扩散（如卤化物侵蚀、阳离子偏析等）和化学反应（如电化学反应、光化学反应等）常常导致器件在运行条件下出现严重的退化，特别是光照和热产生的化学腐蚀和材料分解在金属/钙钛矿界面尤为突出，这限制了高效电池的长期稳定性。

阻挡层已被证明是抑制电极腐蚀和提高器件稳定性的有效策略。作为离子迁移的屏障材料，其应具有本征的不渗透性和化学稳定性，这一点已经得到了广泛的研究。目前大多数阻挡层材料都是基于材料本征稳定性和制备工艺展开研究和筛选，从而优化器件性能和稳定性。然而，纳米尺度非晶薄膜微结构异质性和离子迁移的阻挡能力之间的固有规律尚未有系统研究。

非晶态半导体由于其致密的形态和化学均匀性，具有良好的化学抗腐蚀性和抗渗透性，在太阳能转换、微电子学、催化和光电子学中具有多种应用。与晶体薄膜相比，非晶薄膜没有典型的晶体缺陷，这有三个优点：（1）少的能量异质位点减少化学腐蚀程度；（2）缺乏高维缺陷（如晶界）作为离子/原子迁移通道；（3）局部表面电荷的波动降低，表面电位更平滑，接触良好。因此，非晶阻挡层为防止器件发生腐蚀反应和扩散途径提供了一个有效的方案。但是，目前对器件中的非晶阻挡层的关注有限，其阻挡作用需要进一步探索。

因此，来自北京理工大学的朱城副研究员和陈棋教授，在Advanced Materials上发表了“Engineering amorphous-crystallized interface of ZrN x barriers for Stable Inverted Perovskite Solar Cells”的文章，第一作者为肖梦琪。文章开发了非晶态ZrNx薄膜作为屏障，以抑制金属腐蚀并提高反式电池的稳定性。通过借助模式识别技术对a-c界面密度进行了量化，研究了非晶-结晶（a-c）界面对ZrN x阻挡层性能的影响。此外进一步通过电化学方法揭示了a-c界面防腐蚀特性和非晶薄膜的化学稳定性。最终调控制备了具有非晶ZrN x阻挡薄膜的高效率器件（23.1 %），并显示出良好的稳定性。在室温下最大功率点跟踪连续1500小时后，仍保持88%的初始效率。

本文要点

要点一：非晶ZrNx阻挡层的a-c界面量化及其阻挡特性

非晶-多晶阻挡层中通常包含不同程度的结晶区域，由此产生的非晶-结晶（a-c）界面容易成为离子渗透的通道。通过收集不同结晶程度ZrN x阻挡层的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）数据，采用模式识别技术来分析和评估短程异质性和长程无序性。通过调控工艺参数，实现了ZrN x薄膜中结晶区域和非晶区域的比例调控，从而导致a-c界面密度的降低。并通过Tof-SIMS证明了非晶程度高的ZrN x薄膜具有更好的阻挡特性。

要点二：非晶ZrNx的防腐性能和化学稳定性提升

作者通过电化学方法证明了，ZrN x非晶态薄膜中a-c界面的减少有助于薄膜的防腐性能提高。通过DFT理论计算和不同结晶程度的ZrN x薄膜的表面电势的结果，作者认为防腐性能的提高归因于非晶材料活化能提高和化学势的均匀分布，从而在动力学上抑制了离子或者原子的迁移。因此，非晶程度高的ZrN x薄膜具有更好的抗腐蚀能力和化学稳定性。

要点三：非晶ZrNx抑制电极腐蚀和钙钛矿退化

作者验证了非晶ZrN x在没有传输层器件中的阻挡效果。在85 ˚C黑暗和N 2条件下老化500小时后，通过SEM图像发现具有非晶ZrN x阻挡层器件的Cu电极表面没有明显变化，而标件Cu电极表面出现针孔和形貌变化。进一步通过XRD和XPS确认标件电极中出现CuI，但是非晶ZrN x阻挡的器件中电极没有出现CuI，说明非晶ZrN x能够抑制电极的腐蚀。此外，剥离Cu电极后，通过光致发光图像和隧道式原子力显微镜得到非晶ZrN x减缓了钙钛矿的退化过程，提高了钙钛矿薄膜的稳定性。

要点四：器件稳定性提升

通过在传输层和电极之间插入非晶ZrN x阻挡层，明显提高了反式钙钛矿太阳能电池的运行稳定性，在一个太阳光照下，连续的最大功率点跟踪超过1500小时后，保持初始效率的88%。此外，还表现出良好的光热稳定性，在85 ˚C下超过1000小时后仍保持90%的初始效率，在N 2气中一个太阳光照下超过1300小时后仍保持90%的初始效率。从老化后PSCs的Tof-SIMS和截面的SEM图像中，均发现非晶ZrN x有效抑制PSCs中的Cu和I的迁移。