導(dǎo)言

在當(dāng)今全球能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的大背景下，太陽能作為一種清潔且取之不盡的能源，其高效轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)一直是科研領(lǐng)域的熱點。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）自2009年首*被報道以來，憑借其卓*的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、可調(diào)帶隙、高色散性、適合大面積生產(chǎn)的溶液加工性以及成本效益等顯著優(yōu)勢，迅速成為光伏領(lǐng)域的研究前沿。然而，要進(jìn)一步推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進(jìn)程，仍需解決一系列關(guān)鍵科學(xué)問題，其中制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

在過去的研究中，盡管科學(xué)家們已經(jīng)通過多種方法如成分工程、界面工程、后處理等手段取得了一定的進(jìn)展，但在制備同時滿足上述理想特性的鈣鈦礦薄膜方面，依然存在諸多挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的制備方法往往需要較高的退火溫度來促進(jìn)晶體生長，這可能導(dǎo)致鈣鈦礦材料的部分分解或電荷傳輸層的形變，進(jìn)而引入結(jié)構(gòu)缺陷。又如，在混合陽離子體系中，由于不同陽離子的結(jié)晶速率不一致，容易導(dǎo)致陽離子分布不均勻，這不僅會影響鈣鈦礦薄膜的光電性能，還可能在鈣鈦礦與電荷傳輸層的界面處積累特定陽離子，從而阻礙電荷收集，降低器件效率。

鑒于此，開發(fā)新型的制備策略和添加劑，以精細(xì)調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程、優(yōu)化其微觀結(jié)構(gòu)和光電性能，成為了當(dāng)前研究的焦點之一。本篇文章介紹的研究成果，正是回應(yīng)了這一挑戰(zhàn)，通過引入氰基乙烯基磷酸酸（CPA）分子添加劑，為制備高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池提供了一條創(chuàng)新且高效的路徑。

分享一篇來自華東理工大學(xué)吳永真團(tuán)隊的新研究成果，本文以“Cyanovinyl Phosphonic Acid Based Molecular Additives for Highly Efficient and Stable Formamidinium-Cesium Lead Iodide Perovskite Solar Cells"為題發(fā)表于《Small》期刊。希望對您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。

正文

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其獨*的光電特性在可再生能源領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，目前制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究中發(fā)現(xiàn)，氰基乙烯基磷酸酸（CPA）分子添加劑能夠顯著改善鈣鈦礦薄膜的晶體質(zhì)量、載流子傳輸性能和環(huán)境穩(wěn)定性，為實現(xiàn)高效穩(wěn)定的PSCs提供了新思路。

鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在短短十幾年間取得了飛速發(fā)展，從最初的不到4%一路飆升至如今超過26%的實驗室效率，這一驚人的進(jìn)步速度使其成為光伏領(lǐng)域的明星材料。然而，實驗室中的高效率只是一個方面，要實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，還需要解決器件穩(wěn)定性這一關(guān)鍵瓶頸。鈣鈦礦材料對環(huán)境因素如水分、氧氣、光照和溫度較為敏感，長期暴露會導(dǎo)致其晶體結(jié)構(gòu)退化、相變以及化學(xué)分解，進(jìn)而使器件性能迅速衰減。此外，鈣鈦礦薄膜內(nèi)部的缺陷態(tài)以及界面處的非輻射復(fù)合中心也是制約器件效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

為了克服上述難題，研究者們提出了多種策略。其中，分子添加劑作為一種有效的手段，已被廣泛用于調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程、優(yōu)化薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光電性能。理想的分子添加劑應(yīng)當(dāng)能夠與鈣鈦礦前驅(qū)體物種發(fā)生強(qiáng)相互作用，在原子水平上調(diào)控晶體的生長和缺陷的形成。在這項研究中，研究團(tuán)隊選擇了兩種含有磷酸酸基團(tuán)的分子添加劑Ph-PA和Ph-CPA，它們不僅具有與鉛鹵化物（PbI2）、甲酰胺碘化物（FAI）和銫碘化物（CsI）等鈣鈦礦前驅(qū)體物種強(qiáng)相互作用的能力，而且其獨*的分子結(jié)構(gòu)使其能夠在鈣鈦礦薄膜中發(fā)揮多重功能。

Ph-CPA分子中的氰基（─C≡N）和磷酸酸基團(tuán)（─PO3H）協(xié)同作用，不僅增強(qiáng)了與前驅(qū)體物種的配位能力，還通過氫鍵和靜電相互作用影響鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學(xué)和熱力學(xué)。實驗結(jié)果顯示，Ph-CPA的加入顯著降低了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶溫度，從傳統(tǒng)的150°C降低至100°C，這對于減少高溫退火帶來的結(jié)構(gòu)缺陷和界面損傷具有重要意義。同時，Ph-CPA分子能夠在鈣鈦礦晶體表面形成有效的缺陷態(tài)鈍化層，減少非輻射復(fù)合中心，提高載流子遷移率和擴(kuò)散長度。此外，Ph-CPA分子還能夠促進(jìn)鈣鈦礦薄膜中陽離子的均勻分布，避免了因陽離子分層導(dǎo)致的內(nèi)建電場不均勻和電荷收集效率低下等問題。

結(jié)果與討論

分子添加劑對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶行為的影響

研究團(tuán)隊合成了兩種含有磷酸酸基團(tuán)的分子添加劑（Ph-PA和Ph-CPA），并將其引入FA0.95Cs0.05PbI3鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中。通過原位光致發(fā)光（PL）光譜和同步輻射掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）技術(shù)對鈣鈦礦薄膜的形成過程進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明，Ph-CPA分子添加劑能顯著降低鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶溫度，促進(jìn)晶體生長和相轉(zhuǎn)變，使鈣鈦礦薄膜具有更均勻的離子分布和更少的缺陷。

圖1 FA0.95Cs0.05PbI3薄膜的形貌和結(jié)晶性。（a）對照組和（b）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的俯視掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（標(biāo)尺為 1 微米）。（c）對照組和（d）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的掠入射廣角 X 射線散射（GIWAXS）圖樣。（e）對照組和（f）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的表面電勢分布（標(biāo)尺為 500 納米）。CPD代表接觸電位差。

分子添加劑對鈣鈦礦薄膜形貌和光電性能的提升

掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）測試結(jié)果顯示，添加Ph-CPA的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒尺寸和更光滑的表面形貌。紫外光電子能譜（UPS）和開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測量表明，Ph-CPA處理后的鈣鈦礦薄膜具有更優(yōu)的電子性質(zhì)和接觸勢壘，有助于提高電子收集效率和減少界面電荷積累。

圖1 FA-Cs分布與光電特性：（a）有無摻入 Ph-CPA 的 FA0.95Cs0.05PbI? 鈣鈦礦薄膜中陽離子的分布情況，樣品結(jié)構(gòu)為玻璃 /  ITO/FA0.95Cs0.05PbI?。（b）對照組和（c）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜從空氣側(cè)和玻璃側(cè)測得的光致發(fā)光（PL）光譜。（d）共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）成像圖（標(biāo)尺為 50 微米）。（e）時間分辨光致發(fā)光（TRPL）衰減光譜以及（f）對照組和添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）。

分子添加劑對太陽能電池性能的優(yōu)化

基于Ph-CPA添加劑的鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了顯著提升的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。優(yōu)化后的器件PCE達(dá)到26.25%，同時展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和較高的填充因子（FF）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)Ph-CPA添加劑的引入顯著延長了器件的使用壽命（T90）。

圖2 基于FA0.95Cs0.05PbI?的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的光伏性能。（a）有無添加Ph-CPA的16個獨立器件（孔徑面積：0.08平方厘米）的器件性能參數(shù)值（VOC、JSC、FF和PCE）。（b）有無添加Ph-CPA的最佳性能器件在反向掃描時的J–V曲線。（c）在模擬AM1.5陽光下，有無添加Ph-CPA的器件在接近最大功率點（MPP）偏壓下的穩(wěn)定功率輸出。（d）添加Ph-CPA的最佳性能器件的EQE光譜和積分JSC。（e）添加Ph-CPA的最佳性能1.01平方厘米器件在不同掃描方向上的J–V曲線。

本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)。DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)合了北京卓立漢光儀器有限公司給多家科研單位定制的光譜響應(yīng)系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗，采用國家標(biāo)準(zhǔn)計量方法進(jìn)行全自動測試，是光電器件、光電轉(zhuǎn)換材料的光譜響應(yīng)性能研究的*備工具。

結(jié)論

本研究通過引入Ph-CPA分子添加劑，成功制備了高效穩(wěn)定的FA0.95Cs0.05PbI3鈣鈦礦太陽能電池。該添加劑不僅改善了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、載流子傳輸效率和環(huán)境穩(wěn)定性，還顯著提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。這一成果為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

通訊作者及其團(tuán)隊介紹

吳永真，華東理工大學(xué)教授，研究方向為有機(jī)光電材料與器件、分子工程等。其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得了多項重要成果，為推動鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和穩(wěn)定性增強(qiáng)做出了重要貢獻(xiàn)。

相關(guān)產(chǎn)品推薦

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)。如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。

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