陜師大劉治科Angew：效率飆升至26.47%！FACsPbI?鈣鈦礦太陽(yáng)能電池‘量身打造’高極性界面材料

發(fā)表時(shí)間：2025-04-24 13:42

標(biāo)圖.png

主要內(nèi)容：

設(shè)計(jì)兼具上界面結(jié)晶調(diào)控、界面缺陷鈍化及界面能級(jí)調(diào)節(jié)等多功能的新型界面材料，對(duì)于開發(fā)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）至關(guān)重要。在此，陜西師范大學(xué)劉治科教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開展深入研究，成功合成了一種高極性界面材2-cyano-N,N,N-trimethylammonium bromide (CNCB)，并將其應(yīng)用于修飾鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中SnO?與鈣鈦礦之間的埋底界面。

團(tuán)隊(duì)從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)維度進(jìn)行了全面探究。在理論方面，通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算等手段，深入剖析了CNCB與鈣鈦礦前驅(qū)體、SnO?以及鈣鈦礦表面的相互作用機(jī)制；在實(shí)驗(yàn)方面，采用多種表征技術(shù)，如X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）等，系統(tǒng)研究了CNCB對(duì)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程、界面缺陷以及電荷傳輸性能的影響。

研究結(jié)果表明，CNCB能與鈣鈦礦前驅(qū)體（PbI?和FAI）相互作用，調(diào)控結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程，促使生成具有擇優(yōu)取向且缺陷減少的鈣鈦礦薄膜。具體而言，CNCB的引入改變了前驅(qū)體的成核和生長(zhǎng)速率，使得鈣鈦礦晶體沿著特定方向生長(zhǎng)，從而提高了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。同時(shí)，CNCB可與SnO?和鈣鈦礦表面發(fā)生化學(xué)相互作用，有效鈍化SnO?中的氧空位以及鈣鈦礦埋底表面配位不足的Pb2?缺陷。這種缺陷鈍化作用降低了界面處的非輻射復(fù)合中心，減少了載流子的復(fù)合損失。此外，CNCB的高偶極矩會(huì)引發(fā)有利的界面極化，優(yōu)化能級(jí)匹配并抑制非輻射復(fù)合，進(jìn)一步提高了電荷的分離和傳輸效率。

經(jīng)CNCB修飾的FACsPbI?鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了26.47%的高效光電轉(zhuǎn)換效率，并具有出色的運(yùn)行穩(wěn)定性。在連續(xù)1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)照射1000小時(shí)后，電池仍能保持初始效率的87.14%，展現(xiàn)出良好的抗光衰性能。

從機(jī)理層面深入分析，實(shí)驗(yàn)和理論分析表明：

1）CNCB的陽(yáng)離子氮原子與SnO?發(fā)生路易斯酸堿相互作用，有效鈍化了與錫（Sn）相關(guān)的缺陷；

2）強(qiáng)電負(fù)性的C≡N基團(tuán)與鈣鈦礦埋底界面處配位不足的Pb2?配位，抑制了與鉛（Pb）相關(guān)的缺陷；

3）CNCB具有超高偶極矩（μ = 5.32 Debye），可產(chǎn)生強(qiáng)大的界面電場(chǎng)，增強(qiáng)電荷提取和傳輸動(dòng)力學(xué)。

本研究不僅確立了CNCB作為一種多功能界面修飾劑的地位，還為鈣鈦礦光電器件（包括發(fā)光二極管和光電探測(cè)器）中的多功能材料提供了分子設(shè)計(jì)藍(lán)圖。劉治科教授團(tuán)隊(duì)此次工作為鈣鈦礦光電領(lǐng)域中的多功能界面材料設(shè)計(jì)樹立了分子設(shè)計(jì)范式，凸顯了結(jié)晶調(diào)控、缺陷鈍化以及偶極工程在高性能器件中的協(xié)同作用。該研究成果有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化進(jìn)程，為解決全球能源問題提供新的思路和方法。

文獻(xiàn)信息：

Meticulous Design of High-Polarity Interface Material for FACsPbI3 Perovskite Solar Cells with Efficiency of 26.47%

Yongzhe Li, Linlin Dong, Yan Cai, Yong Li, Dongfang Xu, Hongjie Lei, Nan Li, Zihao Fan, Jieke Tan, Rui Sun, Borui Wang, Jinyun Gong, Zilu Lin, Kunpeng Guo, Xuexia He, Zhike Liu

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202504902