
引言
有機-無機雜化鈣鈦礦因其優異的光電性能和低成本制備技術,已成為極具前景的光伏材料。然而,鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的性能和穩定性受到光活性相晶體隨機取向以及體相/界面缺陷的影響。清華大學電機系易陳誼副教授團隊開發了一種多功能有機材料——仲班酸(parabanic acid, PA),用于調控鈣鈦礦結晶并實現全范圍缺陷鈍化。得益于官能團的協同效應,形成了具有集中面外空間取向的鈣鈦礦薄膜。此外,基于PA的界面鈍化層實現了鈣鈦礦太陽能電池中本體和界面缺陷的集成鈍化。所制備的PSCs實現 了26.03%的功率轉換效率(認證效率25.51%),并具有出色的環境穩定性。值得注意的是,在標準測量條件(ISOS-L-1I)下,最大功率點輸出2000小時后保持了初始效率的96.3%。晶體取向的協同調控和缺陷的集成鈍化為推動鈣鈦礦太陽能電池的發展提供了新途徑。相關研究成果以“One-Stone-Two-Birds: Over 26% Efficiency in Perovskite Solar Cells via Synergistic Crystallization & Interface Regulation”為題發表在Energy & Environmental Science 期刊上(: Energy Environ. Sci.,2025, 18, 5437 DOI: 10.1039/d5ee00189g)
1.本多功能材料設計:
利用仲班酸(PA)同時作為添加劑和鈍化層
2.結晶調控創新:
1)PA中的多樣化官能團與鈣鈦礦前驅體配位
2)顯著增強光學活性相的結晶
3)促進形成更集中的面外取向鈣鈦礦
4)DFT計算顯示PA分子與(100)鈣鈦礦取向的優先結合
3.集成鈍化創新:
1)實現體相和界面缺陷的集成鈍化
2)無銨離子設計,避免2D/3D結構形成和離子擴散問題
3)通過-C=O與Pb2+配位、-NH與I-形成氫鍵實現高效鈍化
4.性能突破:
1)功率轉換率達到26.03%(認證25.51%)
2)1cm2大面積器件功率轉換率達24.89%
3)在ISOS-L-1I標準下連續運行2000小時保持96.3%初始效率
原子力顯微鏡(Dimension Icon,Bruker)測試為鈣鈦礦薄膜的粗糙度、表面電勢以及導電性分別進行了評價。結果顯示,多功能有機材料——仲班酸(PA)體相摻雜對降低PVK薄膜粗糙度具有積極作用,而PA 表面修飾層對PVK薄膜粗糙度影響不大。這一結果表明PA作為添加劑融入鈣鈦礦前驅體溶液后,通過調控結晶動力學(如文中GIWAXS所證實的 slower crystallization rate),促進了晶粒長大和晶界減少,從而形成了更平整的薄膜表面。而表面旋涂PA僅作為超薄鈍化層,不會改變已形成的鈣鈦礦薄膜的宏觀形貌特征。利用開爾文探針力顯微鏡(KPFM)測量表面電勢的結果(圖c)顯示,PA處理后地鈣鈦礦(PVK)薄膜表面電勢RMS粗糙度從11.5 mV降至約9.7 mV,降低了約16%。這表明PA處理后薄膜表面的電勢分布更加均勻,這將有助于空穴的均勻提取。這歸因于(100) 晶面PVK結晶度的提高。另外對于兩種薄膜導電性結果表明:PVK-PA(體相)和PVK-PA(體相+表面)薄膜都表現出增強的導電性,這歸因于(100)鈣鈦礦相結晶度的增加。圖d更是表明對照PVK薄膜中觀察到的明顯漏電流位點在PVK-PA(體相)和PVK-PA(體相+表面)薄膜中得到了顯著抑制,這主要歸因于PA對鈣鈦礦結晶的有效調控。因此,漏電流的降低使得了PSC-PA器件(體相+表面)的暗電流相應減小。

三種技術協同來看,AFM顯示的粗糙度降低與KPFM顯示的電勢均勻性改善相互印證,表明更平整的表面對應更均勻的電學性質;KPFM顯示的電勢均勻性與CAFM顯示的高電導率一致,說明PA處理后的薄膜具有更均勻的載流子傳輸通道。三種AFM技術從納米尺度揭示的改善(粗糙度↓、電勢均勻性↑、電導率↑)共同解釋了宏觀器件性能的提升(功率轉換效率從23.8%→26.03%)。
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