中科院化学所宋延林研究员、郑大任子秋博士 AFM: 硫脲竞争结晶策略制备FA基钙钛矿太阳能电池

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钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）由于其低成本和高效率等优点受到广泛关注，迅速成为光伏领域的研究热点，被认为是最具发展潜力和应用价值的下一代光伏器件。在各种钙钛矿材料中，甲脒碘化铅(FAPbI₃, FA=NH₂CH=NH²⁺)因其合适的带隙和优越的热力学稳定性，成为高效稳定钙钛矿光伏器件的首选材料。尽管FA基PSC的认证效率达到了25.7%，但与Shockley-Queisser (S-Q)极限预测的30%以上的理论值相比，仍有较大差距。其中一个重要原因在于钙钛矿材料中广泛存在的缺陷会引发严重的非辐射复合，导致开路电压的严重损失。此外，钙钛矿材料(~5×10-5℃^-1)与导电玻璃衬底(~9×10-6℃^-1)之间的热膨胀系数存在较大差异，这导致了退火过程中在钙钛矿薄膜内部会产生残余应力。特别是钙钛矿材料溶液加工过程中的非平衡形核和生长容易导致界面晶格失配，进一步加剧钙钛矿薄膜中的应力残留。残余应力将直接影响钙钛矿薄膜中缺陷的形成、载流子输运和离子迁移，进而降低器件的转换效率和稳定性。

近日，中科院化学所宋延林研究员和郑州大学任子秋等人在《Advanced Functioanal Materials》期刊上发表了题为“A Thiourea Competitive Crystallization Strategy for FA-Based Perovskite Solar Cells”的研究论文（DOI: 10.1002/adfm.202208885），提出了一种硫脲竞争结晶策略来抑制钙钛矿材料在溶液加工过程中的非平衡形核和生长。作者采用SnO₂/钙钛矿界面改性和PbI₂前驱体掺杂两种方式将硫脲引入FA基钙钛矿材料体系，利用硫脲与FA阳离子之间的竞争结晶成功地钝化了钙钛矿材料中的缺陷，修复了SnO₂/钙钛矿界面晶格失配，减轻了残余拉应力。经过硫脲改性后的器件最高效率达到了24.42%，同时具有良好的存储和光照稳定性。

图1钙钛矿薄膜形貌结构表征，硫脲竞争反应验证与结晶调控机制

图2钙钛矿薄膜中的残余应力分析

图3钙钛矿薄膜中的XPS, PL TRPL表征

图4钙钛矿太阳电池的性能测试

图5钙钛矿电池中的缺陷与载流子输运

图6钙钛矿薄膜及器件的稳定性测试

文章的第一作者是郑州大学硕士研究生孙其航和庹斌阳，论文通讯作者为郑州大学任子秋和中科院化学所的宋延林研究员。郑州大学为论文第一完成单位，该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助支持。

原文链接

Sun, Q., Tuo, B., Ren, Z., Xue, T., Zhang, Y., Ma, J., Li, P., Song, Y., A Thiourea Competitive Crystallization Strategy for FA-Based Perovskite Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2022, 2208885.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208885

作者简介

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任子秋，男，工学博士，郑州大学青年拔尖人才。主要从事新型有机-无机杂化钙钛矿材料的设计合成及高性能光电转换器件的开发。研究兴趣：1.新型光电材料及器件研究；2.大尺寸光电模组开发（狭缝涂布、喷墨打印、共蒸发）。

宋延林，中国科学院化学研究所研究员、绿色印刷重点实验室主任。主要从事光电信息功能材料与器件、绿色打印印刷材料与技术研究。

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