AFM：三维络合剂用于高效稳定钙钛矿太阳能电池的缺陷钝化和结晶调控

文 章 信 息

三维络合剂用于高效稳定钙钛矿太阳能电池的缺陷钝化和结晶调控

第一作者：刘聪聪

通讯作者：苏海军*，郭敏*

单位：西北工业大学，陕西师范大学

研 究 背 景

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)以其优异的光电性能被广泛应用于多种光伏领域。近几年，PSCs的光电转换效率(PCE)已从3.8%飙升至25.7%。而具有离子特性的多晶钙钛矿薄膜不可避免地会在晶界/表面处出现大量的离子缺陷。这些缺陷导致陷阱辅助的非辐射电荷重组和离子迁移，引发电流-电压迟滞现象，阻碍PSCs稳定性的提升。

添加剂工程被证明是钝化晶界/表面缺陷，调节钙钛矿的结晶和获得高质量钙钛矿薄膜的一种有效的策略。为此，多种添加剂，如路易斯酸/碱和有机盐被用于钝化缺陷和增强钙钛矿薄膜结晶度。大量的研究发现多功能分子对钙钛矿的缺陷钝化和结晶控制具有协同作用。而具有多功能官能团的线性分子钝化范围和晶体调控效果有限。因此，探索具有三维特性的多功能分子，以最大限度地发挥缺陷钝化效应的潜力，实现晶体生长调制是非常必要的。

文 章 简 介

基于此，西北工业大学苏海军教授、郭敏副教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Three-dimensional polydentate complexing agents for passivating defects and modulating crystallinity for high-performance perovskite solar cells”的研究论文。

该文章采用多功能添加剂的多齿络合策略，研究了三维多齿络合剂植酸(PA)和植酸二钾(PAD)在多个空间方向上对钙钛矿薄膜缺陷的同步钝化和晶体生长调控。结果表明PA分子中的强给电子基团(-H₂PO₄)可提供6个锚定位点，与未配位的Pb²⁺在晶界/表面牢固结合，有效调控钙钛矿结晶和提高钙钛矿薄膜的质量。

尤其是含有额外的(K→P=O)推拉结构的PAD能促进了磷酸基(P=O)与Pb²⁺的主导配位，并通过钾离子(K⁺)与碘离子(I^-)形成的离子键钝化卤化物阴离子缺陷。PAD络合的PSCs的PCE达到23.18%，显著高于控制器件(19.94%)。PAD络合的PSCs表现出优异的湿度和热稳定性，在连续光照下1000小时后仍保持其初始PCE的79%，而控制器件在1000小时后仅保持其初始PCE的48%。这项工作为同时提高器件效率和稳定性的多功能三维钝化剂的设计提供了重要的视角。

本 文 要 点

要点一：PA/PAD的分子结构及PAD络合的钙钛矿薄膜的TEM图

Figure 1. a) Molecular configurations of PA and PAD. ESP of b) PA and PAD. c) A schematic illustration of defect passivation and the interaction passivators and perovskite. d) HR-TEM images of the perovskite grains wrapped by amorphous material (PAD). e) FFT images of the area whthin boxes region. f) FFT analysis of the corresponding lattice fringe.

图1(a)PA和PAD的分子结构，(b)PA和PAD的ESP，(c)钝化剂与钙钛矿相互作用及缺陷钝化的示意图，(d)被非晶态材料(PAD)包裹的钙钛矿颗粒的HR-TEM图像，(e)方框区域的FFT图像，(f)对应晶格条纹的FFT。

要点二：PA/PAD与钙钛矿络合的机制分析

Figure 2. FTIR spectra of a) PA powder and PA-PbI₂ powder. FTIR spectra of b) PAD-powder and PAD-PbI₂ powder. XPS spectra of c) Pb 4f, d) I 3d, and e) O 1s for the perovskite films without and with passivators.

图2 (a)PA粉末和PA-PbI₂粉末的FTIR光谱，(b)PAD和PAD-PbI₂粉末的FTIR光谱，有无钝化剂的钙钛矿薄膜的(c)Pb 4f，(d)I 3d，(e)O1sXPS光谱。

要点三：PA/PAD的络合对钙钛矿薄膜质量的影响

Figure 3. Characteristics of the control, PA and PAD-modified perovskite films. a-c) SEM images. d-f) AFM images. g) The height curves vary with distance are recorded from the red solid line of the corresponding AFM image. h) XRD patterns and i) UV-Vis absorption spectra of the perovskite films with and without passivators.

图3控制、PA和PAD络合的钙钛矿膜的特性。(a-c)SEM图像，(d-f)AFM图像，(g)从对应AFM图像的红色实线记录高度曲线随距离的变化，(h)XRD模式，(i)有无钝化剂的钙钛矿薄膜的UV-Vis吸收光谱。

要点四：PA/PAD的络合对PSCs载流子传输动力学的影响

Figure 4. a) PL spectra and b) TRPL decay curves of perovskite films with and without passivators. c) Dark current-voltage curves of electron-only devices. d) UPS spectra of perovskite films without and with passivators. Left: the secondary electron cut-off region. Right: the UPS spectra in the valence band region. e) Energy level diagram of the perovskite films without and with passivators. f) Voc of devices varies logarithmically with Jsc plots. g) Dark J-V curves, h) Nyquist plots of the devices without and with passivators. i) Mott-Schottky plots of the devices without and with passivators.

图4有无钝化剂的钙钛矿薄膜的(a)PL光谱(b)TRPL光谱，(c)纯电子器件的暗电流-电压曲线，(d)钙钛矿薄膜的UPS光谱，左：次级电子截止区，右：价带区，(e)有无钝化剂的钙钛矿薄膜的能级图，(f)器件的Voc随Jsc图呈对数变化，(g)暗态J-V曲线，(h)有无钝化剂的器件的能奎斯特图，(i)有无钝化剂的器件Mott-Schottky图。

要点五：PA/PAD络合的PSCs光电性能

Figure 5. a) Schematic diagram of planar PSCs. J-V curves of the best-performing for b) control, c) PA-modified and d) PAD-modified PSCs. e) Steady current-density and output PCE at the maximum power point (MPP). f) EQE spectra and the corresponding integrated Jsc of PSCs without and with passivators. g) J-V curves of the best-performing PAD-modified PSCs of 1 cm² area. h) Histograms of PCE distribution among 40 devices. i) Statistical distribution diagram of the Voc of PSCs without and with passivators.

图5(a)平面PSCs示意图，(b)控制电池，(c)PA络合的电池，(d)PAD络合的电池的最优器件的J-V曲线，(e)在最大功率点(MPP)的稳定电流密度和稳定PCE，(f)EQE光谱和相应的整流电流密度Jsc，(g)最优的PAD络合的电池的J-V曲线(面积1cm²)，(h)40个器件的PCE分布直方图，(i) 有无钝化剂的PSCs的Voc的统计分布图。

要点六：PA/PAD络合的PSCs的湿度、热、光照和运行稳定性

Figure 6. Stability of the PSCs under various conditions. a) Stability of the unencapsulated PSCs with and without passivator stored in the dark and an ambient atmosphere (relative humidity 45-65%, 25-30°C). b) Contact angles of water on control, PA- and PAD-complexed perovskite film. c) Stability of the unencapsulated PSCs with and without passivator performed in the dark and continuous heating at 65°C in the N₂-filled glovebox. d) Light soaking stability test of the encapsulated devices with and without passivator performed under white LED lamp (100 mW cm^-2) in the air. e) Operational stability of unencapsulated devices under white LED light in N₂ atmosphere

图6 PSCs在不同条件下的稳定性。(a)有无钝化剂和的PSCs在黑暗的空气环境中储存的稳定性，(b)控制、PA和PAD络合的钙钛矿薄膜的接触角，(c)有无钝化剂且未封装的PSCs在黑暗的氮气手套箱中持续加热65℃的稳定性，(d)在空气中白光LED灯(100mw cm^-2)下，对封装的器件的光浸泡稳定性测试，(e)N₂气氛下白光LED下未封装器件的运行稳定性。

文 章 链 接

3D Polydentate Complexing Agents for Passivating Defects and Modulating Crystallinity for High-Performance Perovskite Solar Cells

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212577

通 讯 作 者 简 介

苏海军教授简介：西北工业大学材料学院教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷及结构功能一体化复合材料等。

主持包括国家自然基金重点、优青等6项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，发表SCI论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及1项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。

郭敏副教授教授简介：西北工业大学副教授、博士生导师。主要从事高温合金先进凝固技术及先进能源材料器件相关研究工作。主持国家自然科学基金面上、两机专项子课题等国家及省部级科研项目7项，参与国家自然科学基金重点、国家重点研发计划等项目10余项。发表SCI论文40余篇，授权发明专利19项。获陕西省科学技术发明一等奖、陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖、陕西省线上线下混合式一流课程各1项。担任《中国有色金属学报》中英文版青年编委。

第 一 作 者 简 介

刘聪聪：西北工业大学材料加工工程专业博士研究生。

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