【人物与科研】兰州大学曹靖研究员课题组J. Am. Chem. Soc.：卟啉超分子构筑高效稳定大面积钙钛矿太阳能电池

导语

低温溶液法制备的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池近十余年来得到快速发展，小面积电池器件的光电转化效率已经接近硅电池的最高效率，然而随着钙钛矿薄膜面积增大，晶界处缺陷增多，进而影响器件效率与稳定性。因此晶界修饰对于大面积钙钛矿太阳能电池性能和稳定性至关重要。兰州大学曹靖课题组在钙钛矿薄膜晶界处原位修饰氨基卟啉自组装超分子，在超分子与钙钛矿晶粒界面处，氨基卟啉配合物分子与钙钛矿中的有机阳离子发生反应，生成的铵基卟啉配合物有效的修饰钙钛矿晶粒表面，钝化缺陷，实现电荷的有效提取；卟啉自组装超分子实现空穴的快速传输，从而实现钙钛矿晶界电荷的有效提取和传输。最终组装的活性面积为1 cm²的大面积钙钛矿太阳能电池器件获得了22.8%的效率，相应的电池器件经第三方权威机构认证得到22.1%的效率。相关成果在线发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.1c07518)。

曹靖研究员课题组简介

课题组研究工作集中在：新型卟啉/酞菁类配合物实现高效稳定钙钛矿太阳能电池器件组装。通过金属卟啉/酞菁配合物修饰钙钛矿策略，实现对钙钛矿薄膜有效封装，为制备高效稳定大面积钙钛矿太阳能电池器件提供良好的研究基础（CCS Chem., 2021, 3, 25; CCS Chem., 2020, 2, 488; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6345; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11577）；通过配合物结构优化，实现了金属有机化合物非掺杂空穴传输材料钙钛矿太阳能电池21.23%记录效率（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 6294；Adv. Mater., 2018, 30, 1800568）。相关成果在国际知名学术期刊发表论文30余篇。

曹靖研究员简介

曹靖，研究员，博士生导师，博士毕业于厦门大学化学化工学院，导师：郑南峰教授。2017年10月加入兰州大学化学化工学院。获得中国化学会2018-2020年度“青年人才托举工程”托举人才项目以及甘肃省青年科技人才托举工程项目资助。主持国家自然科学基金面上以及青年基金各一项。研究方向主要集中在：新能源材料的设计合成以及光伏应用研究（主要是染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池）。

前沿科研成果

卟啉超分子构筑高效稳定大面积钙钛矿太阳能电池

近年来，钙钛矿太阳能电池得到快速发展，其光电转化效率已经从最初的3.8%迅速提升至25.5%，接近单晶硅太阳能电池。低温溶液法制备的钙钛矿薄膜不可避免的产生晶界，随着薄膜面积增加，晶界缺陷增多，进而影响器件的性能和稳定性。有效的钝化晶界缺陷对于提高大面积钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性至关重要。兰州大学曹靖课题组近年来研究工作主要集中在设计合成新型卟啉/酞菁配合物修饰稳定大面积钙钛矿薄膜策略以及卟啉/酞菁配合物空穴传输材料的发展。率先发展了金属卟啉配合物修饰钙钛矿薄膜，实现了高质量钙钛矿薄膜的制备并对其进行有效的封装，为制备高效稳定钙钛矿太阳能电池提供了研究基础（CCS Chem., 2021, 3, 25; CCS Chem., 2020, 2, 488; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6345; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11577）。通过配合物结构优化，实现了金属有机化合物非掺杂空穴传输材料钙钛矿太阳能电池21.23%记录效率（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 6294；Adv. Mater., 2018, 30, 1800568）。

近日，该课题组在钙钛矿薄膜晶界处原位修饰氨基卟啉自组装超分子，在超分子与钙钛矿晶粒界面处，氨基卟啉配合物分子与钙钛矿中的有机阳离子发生反应，生成的铵基卟啉配合物有效的修饰钙钛矿晶粒表面，钝化缺陷，实现电荷的有效提取；卟啉自组装超分子实现空穴的快速传输，加快了钙钛矿晶界电荷的有效提取和传输。最终组装的活性面积为1 cm²的大面积钙钛矿太阳能电池器件获得了22.8%的效率，相应的电池器件经第三方权威机构认证得到22.1%的效率。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

XRD测试证实：在钙钛矿薄膜中原位形成卟啉自组装超分子结构。TOF-SIMS及固体核磁证实：卟啉自组装超分子有效修饰在钙钛矿薄膜晶界处；在超分子与钙钛矿晶粒界面处，氨基卟啉配合物分子与钙钛矿中的有机阳离子发生反应，生成的铵基卟啉配合物有效的修饰钙钛矿晶粒表面。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

量化计算揭示：Ni卟啉自组装超分子与钙钛矿晶粒界面处的铵基卟啉配合物有效地修饰钙钛矿晶粒表面，实现电荷的有效提取；卟啉自组装超分子实现空穴的快速传输，加快了钙钛矿晶界电荷的有效提取和传输。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

一系列实验表征证实：相对于其他金属卟啉自组装超分子，Ni卟啉自组装超分子层的引入可以实现空穴的有效的提取和传输。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于Ni卟啉自组装超分子修饰的钙钛矿太阳能电池实现了24.2%的器件效率（经第三方权威机构认证得到23.7%的效率），组装的活性面积为1 cm²的大面积电池器件实现了22.8%的效率（经第三方权威机构认证得到22.1%的效率）。此外，由于卟啉自组装超分子具有优异的疏水性能以及化学稳定性，组装的电池器件表现出非常优异的水、热、光稳定性，为钙钛矿太阳能电池产业化发展提供了研究基础。

总结：

发展了一种卟啉自组装超分子修饰钙钛矿薄膜晶界新方法，实现了高效稳定大面积钙钛矿太阳能电池器件组装。该工作以“Grain Boundary Engineering with Self-Assembled Porphyrin Supra-molecules for Highly Efficient Large-Area Perovskite Photovoltaics”为题发表在J. Am. Chem. Soc. （DOI: 10.1021/jacs.1c07518）上，第一作者为兰州大学方子涵、上海交通大学王露遥、兰州大学穆希皎以及加拿大多伦多大学陈斌，通讯作者为兰州大学曹靖研究员。

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