【儀表網 研發快訊】有機/無機雜化鈣鈦礦材料具有吸收系數高、帶隙可調、雙極性傳輸能力優異等特點，因此鈣鈦礦太陽能電池作為一種前景廣闊的光伏技術受到了廣泛研究。然而，鈣鈦礦光活性層存在的缺陷結構、相不穩定和離子遷移等問題使得其電池器件在穩定性上面臨著光照、熱、偏壓的考驗，其長期運行的穩定性是現階段需要解決的主要問題之一。
在國家自然科學基金委和科技部重點研發計劃的支持下，化學研究所有機固體實驗室李永舫/孟磊團隊近年來在鈣鈦礦太陽能電池的研究領域展開深入研究，在鈣鈦礦薄膜的結晶動力學調控方面取得重要進展 。對于鈣鈦礦前驅體溶液，化學添加劑在薄膜形貌優化中起著關鍵性的作用，進而影響器件的性能和穩定性。特別是帶有 −COOH 基團的羧酸及其衍生物可以作為配體，有效增強結構完整性并降低鉛離子外流的風險。然而，由于強配位作用，直接將 −COOH 添加到前驅體溶液中可能會延緩鈣鈦礦在成膜過程中的結晶動力學。基于此，該團隊提出了一種原位功能團轉化的新方法，使用雙(2,5-二氧代吡咯烷-1-基)4,7,10,13-四氧雜十六烷二酸酯 (Bis-PEG4-NHS ester)作為反溶劑中的添加劑，在光活性層結晶成核的前期，誘導前驅體溶液中間相向光活性相轉變，實現晶核形成和成相速度的調控。在退火過程中，通過Bis-PEG4-NHS ester的水解反應實現官能團從 −COOR 向−COOH的轉變，有效降低了鈣鈦礦前驅體相互作用位阻。相應的水解產物與鈣鈦礦體相中的 PbI2和 FAI形成增強的相互作用，提升了離子遷移活化能，有助于抑制離子遷移和鈍化缺陷。由此制備的鈣鈦礦薄膜的環境穩定性顯著增強，太陽能電池器件的光電性能也得到顯著優化。該研究結果為晶體生長過程中的化學相互作用提供了新的見解，使p–i–n結構的反式鈣鈦礦太陽能電池器件的效率達到 25.79%(經認證為 25.47%)，并有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定性。
相關成果近期發表于J. Am. Chem. Soc.2024,146,46,32105–32116。文章的第一作者為博士生劉敏超，通訊作者為孟磊研究員和李永舫研究員。
圖1. (a-b) (a)control薄膜和(b)帶BPN膜退火過程中鈣鈦礦晶體生長的原位PL圖。(c) control(黑色)和有BPN處理(紅色)的鈣鈦礦薄膜的結晶動力學示意圖。(d) PL光譜，(e) TRPL光譜和(f) PLQY數據。黑色線為未經BPN處理的原始鈣鈦礦膜，紅色線為經BPN處理的鈣鈦礦膜，藍色線為在前體溶液中直接添加水解產物的鈣鈦礦膜。(g)原位官能團輔助晶粒生長過程的轉變圖解。反應物BPN由PEG4(黃色部分)和NHS(藍色部分)的組合表示。
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