【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】有機/無機雜化鈣鈦礦材料具有吸收系數(shù)高、帶隙可調(diào)、雙極性傳輸能力優(yōu)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(shù)受到了廣泛研究。然而，鈣鈦礦光活性層存在的缺陷結(jié)構(gòu)、相不穩(wěn)定和離子遷移等問題使得其電池器件在穩(wěn)定性上面臨著光照、熱、偏壓的考驗，其長期運行的穩(wěn)定性是現(xiàn)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(fā)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(lǐng)域展開深入研究，在鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學調(diào)控方面取得重要進展 。對于鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，化學添加劑在薄膜形貌優(yōu)化中起著關(guān)鍵性的作用，進而影響器件的性能和穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(qū)體溶液中可能會延緩鈣鈦礦在成膜過程中的結(jié)晶動力學。基于此，該團隊提出了一種原位功能團轉(zhuǎn)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(jié)晶成核的前期，誘導(dǎo)前驅(qū)體溶液中間相向光活性相轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)晶核形成和成相速度的調(diào)控。在退火過程中，通過Bis-PEG4-NHS ester的水解反應(yīng)實現(xiàn)官能團從 −COOR 向−COOH的轉(zhuǎn)變，有效降低了鈣鈦礦前驅(qū)體相互作用位阻。相應(yīng)的水解產(chǎn)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(huán)境穩(wěn)定性顯著增強，太陽能電池器件的光電性能也得到顯著優(yōu)化。該研究結(jié)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(jié)構(gòu)的反式鈣鈦礦太陽能電池器件的效率達到 25.79%(經(jīng)認證為 25.47%)，并有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性。
 

　　相關(guān)成果近期發(fā)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(jié)晶動力學示意圖。(d) PL光譜，(e) TRPL光譜和(f) PLQY數(shù)據(jù)。黑色線為未經(jīng)BPN處理的原始鈣鈦礦膜，紅色線為經(jīng)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(chǎn)物的鈣鈦礦膜。(g)原位官能團輔助晶粒生長過程的轉(zhuǎn)變圖解。反應(yīng)物BPN由PEG4(黃色部分)和NHS(藍色部分)的組合表示。