【人物与科研】兰州大学曹靖研究员、唐瑜教授课题组：铵基锌酞菁对钙钛矿薄膜“晶界缝合”实现高效稳定的电池组装

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导语

稳定性问题已经成为制约有机-无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池产业化应用的瓶颈，钙钛矿薄膜晶界内的缺陷是造成钙钛矿薄膜不稳定（水热等）的重要因素。因此，选择合适的缺陷钝化剂或缝合剂来改善钙钛矿薄膜的不稳定性具有重要意义。兰州大学曹靖研究员、唐瑜教授课题组利用铵基锌酞菁对钙钛矿薄膜 进行“晶界缝合”，实现了高效稳定钙钛矿电池的组装（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.8b07025）。

曹靖研究员简介

曹靖，兰州大学化学化工学院研究员，硕士生导师。厦门大学化学化工学院获博士学位，导师为郑南峰教授。2017年10月加入兰州大学化学化工学院。目前为止，以第一作者或通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nanoscale, Electrochim. Acta, Org. Electron.等学术期刊上发表20余篇学术论文。研究方向主要集中在卟啉酞菁类能源材料的设计合成以及新型太阳能电池组装研究（主要是染料敏化电池和钙钛矿电池）。

唐瑜教授简介

唐瑜，兰州大学化学化工学院教授，博士生导师。入选2006年度教育部“新世纪优秀人才支持计划”、甘肃省领军人才第二层次人选和甘肃省“555创新人才工程”。受聘甘肃省“飞天学者”特聘教授。中国化学会女化学工作者委员会委员，甘肃省高等学校化学与化工类专业指导委员会秘书长，甘肃省化学会副秘书长，甘肃省化学会青年工作者委员会委员。现任兰州大学化学化工学院副院长，甘肃省有色金属化学与资源利用重点实验室副主任，化学化工学院配位化学与功能材料研究所所长，化学化工学院学位评定分委员会副主席，学术委员会委员，教学指导委员会委员，无机化学课程组组长。研究工作主要集中在新型稀土配合物发光材料研究。先后承担和参加国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重点项目、教育部科技新世纪优秀人才支持计划和甘肃省自然科学基金等研究课题。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Commun., Chem. Eur. J.以及《中国科学：化学》等国内外著名刊物上发表论文170余篇。

前沿科研成果

铵基锌酞菁对钙钛矿薄膜“晶界缝合”

实现高效稳定的电池组装

钙钛矿太阳能电池的基本结构为三明治构型，钙钛矿活性层夹在电子传输层和空穴传输层之间，其中空穴传输层常用Li盐掺杂的2,2',7,7'-四(N,N-二对甲氧基苯胺)-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）材料，该材料不但水稳定性较低，且在80 ℃以上表现出非常差的热稳定性，因此曹靖研究员、唐瑜教授课题组设计合成了Co(II)和Co(III)卟啉配合物，并将它们混合作为空穴传输材料代替常用的Spiro-OMeTAD，在电池性能略有提高的同时，提高了电池的热稳定性，相关成果发表在Adv. Mater.上（Adv. Mater., 2018, 30, 1800568）。

酞菁衍生物具有良好的可见光吸收以及优异的电荷传输性能和热稳定性，这使其具有成为缺陷钝化剂或缝合剂的巨大潜力。近日，为了进一步提高钙钛矿电池的性能，课题组首先制备了铵基锌酞菁，并利用铵基锌酞菁对钙钛矿薄膜进行处理，在钙钛矿薄膜晶界处原位生成相对稳定的(ZnPc)_0.5MA_n-1Pb_nI_3n+1二维钙钛矿，从而实现了对钙钛矿薄膜的原位“晶界缝合”（图1）。

图1. 晶界缝合过程

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

接着，作者以铵基锌酞菁缝合后的钙钛矿薄膜及Co(II)和Co(III)卟啉配合物混合物为空穴传输材料组装了电池器件。由于酞菁分子在红外区有较强的光谱吸收，该电池器件表现出拓宽的吸收光谱，这使得钙钛矿电池的性能得到进一步提升，最高光电转化效率可达到20.3%（图2）。

图2. 缝合后电池的性能

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，课题组对这种新型的钙钛矿电池对湿度和温度的稳定性进行了探究。结果显示：该钙钛矿电池在温度为85 ℃、湿度为45%的环境中都非常稳定，在最大功率点运转1000小时后仍保持其初始效率的90％（图3）。该项研究在提高了钙钛矿电池性能的同时，还大幅提高了该电池的水热稳定性。

图3. 缝合后电池的稳定性

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

该工作发表在综合性杂志J. Am. Chem. Soc.上(DOI: 10.1021/jacs.8b07025)。该文通讯作者为曹靖研究员、唐瑜教授和俄亥俄州立大学吴屹影教授。共同第一作者为本科生李丛平（即将就读兰州大学研究生）和硕士研究生吕旭东。该系列工作得到了国家自然科学基金以及中央高校专项基金的资助。

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