研究の背景と課題

PSC商業化の鍵となるボトルネックは、欠陥不動態化プロセスの再現性不足にある。本研究では、この分野で直面している3つのコア課題について説明します。

1. ひょうめんじょうたいへんいせい：ペロブスカイト薄膜の表面状態は異なるロット、操作者間に顕著な差があり、微小なプロセス変動（温度、化学量論比、湿度）でも明らかに異なる欠陥分布を招き、不動態化効果を再現しにくい。

2. 最適不動態化剤濃度の制御が困難である：従来の戦略は欠陥修復と電荷輸送の間に平衡点（最適濃度C*）、しかし表面状態の変異は既定の最適条件を実験にまたがって再現することができなくて、甚だしきに至ってはマイナス効果を生みます。

3. 通常の不動態化モードの固有制限：CPモードにおける不動態化剤濃度の変化はその分布とエネルギー準位の整列に顕著に影響し、再現性に影響する。過剰不動態化剤は残留粉末と低次元相を形成しやすく、界面抵抗が高すぎ、デバイス性能が低下し、初期安定性の問題がある。

研究チームと解決方法

ペロブスカイト太陽電池（PSC）欠陥不動態化戦略の研究西湖大学王叡と浙江大学薛晶晶教授共同指導のチームが完成した。彼らの研究成果は国際トップジャーナルに発表された 『自然エネルギー』（自然 エネルギー）ダイアログが表示されます。

研究チームは「飽和不動態化」（Saturated Passivation, SP）新しいポリシー、革新的な2ステップ法を用いて上記の課題を解決する：

ステップ1：活性制御

フッ素化イソプロパノール（国際テレビ祭）不動態剤分子の反応活性と透過能力を低下させ、高濃度不動態剤を使用してすべての表面欠陥の完全な不動態化を確保することを許可し、同時に過剰反応と有害な低次元相の過度な形成を回避する。

ステップ2：精密洗浄

採用国際テレビ祭イソプロパノール（IPA）溶媒を混合してすすぎ、余分な非結合不動態剤分子を正確に除去し、欠陥飽和不動態化を実現し、低次元層を適切な厚さに維持する。

重点研究成果

図3i

1.FIPA溶媒のメカニズム：国際テレビ祭中フッ素原子とアンモニウム塩不動態化剤は強い水素結合を形成する（H-F水素結合）、競争性抑制不動態化剤とPbI2の過剰反応は、不動態化剤の反応活性と浸透能力を効果的に低下させ、有害な低次元相の過度な形成を回避する。

2. オペレーションウィンドウの大幅な拡張 ：SP戦略は不動態化剤濃度偏差に対して高い許容度を持ち、伝統的なCPモードはより広い適切な濃度範囲を提供し、プロセス再現性を大幅に向上させる。

3. デバイス性能

• 効率的なブレークスルー：n-i-pローバンドギャップPSC達25.6%、p-i-nローバンドギャップPSC達26.0%、p-i-n広帯域ギャップPSC達23.0%、1 cm2大面積PSC達24.5%

• 安定性の向上：1000時間加速老化後も超過80%初期PCE、初期安定性は顕著に優れているCP部品

• ヒステリシス減少：欠陥不動態化によるイオン移動の効果的な抑制

4. 広範な一般的な妥当性検証 SPポリシーの適用先：

• 異なるデバイス構造（n-i-p、p-i-n）

• 複数種類のペロブスカイト組成（異なるブル含有量）

• 多様な製造技術（二段階法、反溶媒堆積法）

• 異なる製造環境（窒素、空気）

• マルチデバイス面積（大面積デバイスに対する効果がより顕著）

• 浸漬法を通じて実現でき、工業化の潜在力がある

実験手順と過程

図4j

1. ペロブスカイト薄膜の製造方法 2つの主要な堆積方法を用いて検証するSP戦略的一般性：

• ツーステップ法：層状スピンコーティングPbI2溶液とFAI/MACl溶液後アニールは、n-i-p和p-i-n構造の低バンドギャップ及び広帯域ギャップペロブスカイト

• アンチソルベント堆積法：前駆体溶液のスピン塗布中に反溶媒（アニソールまたは酢酸エチル）を滴下して焼鈍する

製造環境は窒素手袋箱（高純度）と空気環境（25-30%湿度、実生産条件のシミュレーション）。

2. デバイスアセンブリ

• 基板構造：ITOまたはフリーインプリメンテーションガラス基板上に電子を堆積する/ホール輸送層（SnO2、2PACz、ニオックス/Me-4PACZなど）

• SPパッシベーション処理：高濃度アンモニウム塩不動態化剤（PEAIに溶ける国際テレビ祭ペロブスカイト表面に中回転塗布し、その後FIPA/Ipan混合溶媒をすすぎ余分な分子を除去する。p-i-n構造素子は短時間の低温焼鈍が必要である

• 代替方法：浸漬法によるスピンコーティング法の代替可能性の検証

• 電極完成：ホール輸送材料の堆積（スピロ-OMeTAD）または電子抽出層（LiF/C60/BCP）、最終蒸着金属電極

3. パフォーマンステスト 標準条件下での測定J-V の特性曲線、取得とくせいきょくせん、しゅとくPCE、VOC、株式会社、FFなどの重要なパラメータがあります。すべての測定は前処理されておらず、特に1 cm2大面積デバイスは工業化潜在力の評価を行う。

特徴付け方法と結果

じゅんフェルミエネルギーかいぶんれつ（Quasi-Fermi Level Splitting、QFLS）

ペロブスカイト薄膜の欠陥不動態化効果と非放射再結合損失の抑制能力を評価し、QFLS直接関連デバイスのリフティングVOC和FF改善する。

経100 mM PEAI/FIPA処理ペロブスカイト薄膜QFLS映画改善幅が17.5 mV、より明らかに優れているPEAI/IPAについて処理済み12.8 mV。洗浄手順はPEAI粉末溶解または2D相分解して改善幅を低減するが、IPA洗浄後のQFLS映画改善幅がやや上回る国際テレビ祭洗浄。SP処理後フィルムQFLS映画継続的に改善し、PLスペクトルに顕著な観察は見られなかった2D相発光ピークは、不動態化効果が安定していることを確認した。

図S 12 展示（てんじ）100 mM PEAI/FIPA和PEAI/IPAについて処理フィルムは未洗浄、国際テレビ祭洗浄、IPA洗浄の3つの条件下のQFLS映画比較を改善する。PEAI／FIPA未洗浄サンプルが最高改善値を示す（17.5 mV）、異なる溶媒処理と洗浄工程が欠陥不動態化効果に与える影響を直感的に示した。

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でんりゅうみつど-電圧（J-V）曲線

太陽電池のコア性能パラメータを特性化し、デバイスの電荷輸送と全体の光起電力性能を反映する。

SP戦略が大幅に向上PSCのPCE表現。Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-n構造デバイス経PEAI-SP処理後、PCE達する25.5%（VOC = 1.17 V，FF = 83.00%，JSC = 26.30 mA cm^-2）。この戦略は異なる成分ペロブスカイト（20％FAPbBr₃または40%のMAPbBr₃ドーピング）、異なる製造方法及び異なる環境はいずれも優れた汎用性を示した。SP不動態化はヒステリシス現象を効果的に低減し、欠陥不動態化がイオン移動を抑制することに起因する。

図4A 展示参照デバイスとPEAI-SP処理済みCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nこうぞうそしJ-V の曲線の比較とPCE統計ヒストグラム。SP処理デバイス曲線がより「方正」になり、表示される充填率と電力変換効率の向上，PCE分布がより集中的で平均値がより高く、突出しているSPデバイスの性能と再現性を向上させるための戦略の顕著な効果。

外部量子効率（外部量子効率、EQE）

異なる波長の光照射下で入射光子を出力電流に変換する効率は、デバイスのスペクトル応答能力と太陽光利用の有効性を直接反映する。測定方法エンリテック QE-R量子効率測定システム。

EQEスペクトルデータのサポートJ-V の曲線測定株式会社値を測定し、さらに各スペクトル領域におけるデバイスの性能表現を検証し、確認するSPポリシー処理後のデバイスの光電変換能力。

図S 22a 展示（てんじ）Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-nこうぞうそしEQEスペクトル。デバイスは可視光と近赤外領域（約300〜850 nm）を表示高い量子効率、ピーク接近90%、デバイスがこの波長範囲において高効率光吸収と電荷収集能力を有することを確認した。

最大パワーポイント追跡（MPP追跡）

一定光照射とバイアス電圧下でデバイス電流出力の経時変化を監視し、長期運転安定性、特に加速老化条件下での性能表現を評価した。

シミュレーション加速老化試験条件下（65℃、N₂グローブボックス0.82倍の太陽光)、SP戦略は安定性を示す。SPデバイスは、1000時間のテスト後も超過したまま80%初期PCE、伝統的な鈍化（CP）デバイスは最初に260時間以内PCE急激に低下し、対照群よりも低く、不動態化剤の過剰浸透に起因した。SPデバイスの初期安定性は、CP不動態化剤による浸透が減少したデバイス。

図S 34 非カプセル化対照群、CP和SP加速老化試験におけるデバイスの正規化PCE時間とともに変化する。SP部品PCE減衰速度が最も遅く、最適な長期安定性を示すを選択し、CPデバイスはテスト初期に明らかな性能低下を示した。

その他の特徴

1. かくぶんべつX放射線光電子分光法（AR-XPS） ：ペロブスカイト薄膜中の不動態化剤分子の深さ分布と透過能力を分析する。かくにんFIPA-SP深部を効率的に除去するモードPEAI、表面残留が最も少なく、不動態化の再現性を高める。(図1d）

2. X放射線回折（XRD） ：ペロブスカイト薄膜の不動態化剤処理後の結晶構造変化と2D相形成かくにん国際テレビ祭顕著な抑制PEAI粉末ピークと2D相形成は、相転移の発生を効果的に抑制する。(図1e）

3. ひかりルミネセンススペクトル（PL） ：非放射再結合損失の抑制状況を評価し、PL強度は欠陥不動態化効果を反映する。表示国際テレビ祭不動態化剤の分子除去能力を有する、IPA体積比増加時PL強度が次第に強くなる。(図3g）

4. 走査電子顕微鏡（SEM） ：ペロブスカイト薄膜の表面形態変化、特にPbI₂富化領域の転化状況。かくにん国際テレビ祭抑制（よくせい）PEAI反応性、処理後PbI₂富化領域(ブライトゾーン)まだ部分的に存在します。(図1g）

5. 核磁気共鳴スペクトル（NMR）和 フーリエ変換赤外分光法（FTIR） ：溶媒の研究、PbI₂及び不動態化剤配位子間分子相互作用機構。かくにん国際テレビ祭中フッ素原子はアンモニウム不動態化剤と強い水素結合を形成し、競争性は低次元相の形成を阻害する。(図2f）

6. 光起電力パラメータ統計解析 ：評価SPポリシーの汎用性、再現性、適用性。かくにんSP戦略は各種デバイスにおいて優れており、1 cm2大面積PSCのPCEから21.6%昇格先24.5%。(図S 24a）

結論

研究チームは開発に成功した飽和不動態化（SP）ポリシー、効果的に解決するPSC従来の不動態化方法は表面状態の変異による効果の不一致問題により、デバイスの効率、安定性、再現性を著しく向上させた。

コアイノベーションの突破：

1.FIPA溶媒の重要な役割：フッ素化イソプロパノール（国際テレビ祭）ペロブスカイトとの不動態化剤分子の反応活性を著しく低下させ、従来のイソプロパノール（IPA）欠陥が不動態化され、電荷輸送に干渉しないことを保証する。国際テレビ祭操作ウィンドウを広げ、戦略が不動態剤濃度の変化、堆積方法と互換不動態剤に対して高い耐性を持ち、優れた汎用性を示す。

2. デバイス性能：複数の効率的な突破を実現：n-i-pローバンドギャップPSC達25.6%、p-i-nローバンドギャップPSC達26.0%、p-i-n広帯域ギャップPSC達23.0%、1 cm2大面積PSC達24.5%。SP戦略は、より広い不動態化剤濃度操作範囲（20-100mMのPEAI濃度での効率安定保持25%）、ヒステリシス効果を効果的に抑制し、大面積デバイスの性能を大幅に改善した。

3. 優れた安定性表現：加速寿命試験中（65℃、0.8太陽の光、N₂環境）、SP部品1000時間後も超過80%初期PCE、伝統的な不動態化（CP）デバイスを前面に260時間以内に顕著に衰退し、未処理対照群よりも劣ったのは、SP戦略は不動態化剤の過度な浸透を効果的に減少させる。

4. QFLSについて大幅な改善：SP処理フィルム表示持続QFLS改善、100 mM PEAI/FIPAしょりフィルムQFLS映画改善幅が17.5 mV、より明らかに優れているPEAI/IPAについての12.8 mV、開放電圧損失を低減する上で再現可能な効果を示す。

文献参照Nature Energy _ DOI：10.1038/s 41560-025-01791-z

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