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

發表時間：2025-04-24 13:42

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主要內容：

設計兼具上界面結晶調控、界面缺陷鈍化及界面能級調節等多功能的新型界面材料，對于開發高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）至關重要。在此，陜西師范大學劉治科教授帶領其團隊開展深入研究，成功合成了一種高極性界面材2-cyano-N,N,N-trimethylammonium bromide (CNCB)，并將其應用于修飾鈣鈦礦太陽能電池中SnO?與鈣鈦礦之間的埋底界面。

團隊從理論和實驗兩個維度進行了全面探究。在理論方面，通過密度泛函理論（DFT）計算等手段，深入剖析了CNCB與鈣鈦礦前驅體、SnO?以及鈣鈦礦表面的相互作用機制；在實驗方面，采用多種表征技術，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，系統研究了CNCB對鈣鈦礦薄膜結晶過程、界面缺陷以及電荷傳輸性能的影響。

研究結果表明，CNCB能與鈣鈦礦前驅體（PbI?和FAI）相互作用，調控結晶動力學過程，促使生成具有擇優取向且缺陷減少的鈣鈦礦薄膜。具體而言，CNCB的引入改變了前驅體的成核和生長速率，使得鈣鈦礦晶體沿著特定方向生長，從而提高了薄膜的結晶質量。同時，CNCB可與SnO?和鈣鈦礦表面發生化學相互作用，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合中心，減少了載流子的復合損失。此外，CNCB的高偶極矩會引發有利的界面極化，優化能級匹配并抑制非輻射復合，進一步提高了電荷的分離和傳輸效率。

經CNCB修飾的FACsPbI?鈣鈦礦太陽能電池實現了26.47%的高效光電轉換效率，并具有出色的運行穩定性。在連續1個太陽光強照射1000小時后，電池仍能保持初始效率的87.14%，展現出良好的抗光衰性能。

從機理層面深入分析，實驗和理論分析表明：

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

2）強電負性的C≡N基團與鈣鈦礦埋底界面處配位不足的Pb2?配位，抑制了與鉛（Pb）相關的缺陷；

3）CNCB具有超高偶極矩（μ = 5.32 Debye），可產生強大的界面電場，增強電荷提取和傳輸動力學。

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（包括發光二極管和光電探測器）中的多功能材料提供了分子設計藍圖。劉治科教授團隊此次工作為鈣鈦礦光電領域中的多功能界面材料設計樹立了分子設計范式，凸顯了結晶調控、缺陷鈍化以及偶極工程在高性能器件中的協同作用。該研究成果有望推動鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程，為解決全球能源問題提供新的思路和方法。

文獻信息：

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