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来源：iNature

2023年1月26日，河南大学李萌教授与德国赫姆霍兹柏林材料与能源中心Antonio Abate教授合作在Science 杂志杂线发表题为“Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations”的研究论文，该研究利用β-聚(1,1-二氟乙烯)的有序偶极结构来控制钙钛矿薄膜的结晶和能量排列，稳定了钙钛矿黑相并提高了太阳能电池的性能。
该研究展示了p-i-n钙钛矿太阳能电池，其功率转换效率为24.6%超过18平方毫米，23.1%超过1平方厘米，在25°和75°C下1个太阳最大功率点跟踪1000小时后，效率分别保持了96%和88%。在−60°和+80°C之间的快速热循环下，器件没有显示出疲劳迹象，证明了有序偶极结构对钙钛矿太阳能电池运行稳定性的影响。
据报道，单结钙钛矿太阳能电池(power conversion efficien- cies，PSCs)的最高功率转换效率(PCEs)为>25%，依赖于常规的n-i-p结构(曾经，倒p-i-n PSCs有几种)。非掺杂空穴传输材料的优势，包括低温可加工性和长期运行稳定性。只有少数认证值超过23%，瓶颈值为24%超过10平方毫米电池。这种较低的性能主要与钙钛矿体和界面接触中的高密度缺陷导致的非辐射重组损失和电荷提取减少有关。在实际应用中，环境温度的变化会限制PSC的性能，因为钙钛矿会经历严重的离子迁移、相变和温度诱导应变，导致PCE降低。在不同温度下的循环要求钙钛矿在器件结构中耐受交替拉伸和压缩。因此，开发高效、热循环稳定的PSC是推进PSC应用的关键。Cs_0.05(FA_0.98MA_0.02)_0.95Pb(I_0.98Br_0.02)₃薄膜从本体到表面进行了优化。聚合物偶极子通过降低黑色光活性相的形成能来促进低缺陷晶膜的生长。钙钛矿表面偶极子的形成抑制了离子迁移，促进了界面电荷的提取，同时增强了疏水性。该研究在9.6 mm2的有效面积上实现了24.2%的认证PCE，实验室记录的PCE在18 mm2上为24.6%，在1 cm2上为23.1%。高PCE在严重的热循环(120次循环，从- 60°到+80°C)下保持稳定，表明晶体结构对温度诱导应变具有弹性。沿b-聚(1,1-二氟乙烯)(b-pV2F)聚合物骨架交替对称的氢化单元和氟碳单元形成有序的分子偶极子分布。在筛选了一些分子量后，使用0.5 mg/mL分子量为180,000的b-pV2F。从俯视图和横截面扫描电子显微镜(SEM)图像中，研究人员可以观察到对照钙钛矿薄膜晶界处存在明显的空洞，平均晶粒尺寸为~400 nm。这些缺陷会产生分流路径和非辐射重组中心。b-pV2F使钙钛矿膜更加致密，晶粒尺寸扩大到约480 nm。X射线衍射(001)峰的半最大全宽较小，支持b-pV2F处理的钙钛矿薄膜的结晶度增强。此外，原子力显微镜图像显示b-pV2F将表面粗糙度从54.4 nm降低到41.1 nm，这有望改善电荷传输层的覆盖。图1. 钙钛矿薄膜的工作机理及形貌表征（图源自Science ）由于氟原子的吸电子效应，相邻的氢原子具有部分正电荷密度。然后，b-pV2F的全反式平面之字形构象使其类似于刘易斯酸，它可以与钙钛矿表面相互作用。傅里叶变换红外光谱显示-CH2拉伸振动峰从b-pV2F的3025 cm−1移动到与目标钙钛矿接触的3019 cm−1，表明-CH2部分与[PbX6]4−骨架的卤化物离子之间存在固体C-H···X偶极子相互作用。这种与钙钛矿前驱体的极性相互作用影响了成膜过程中的结晶，并导致成膜后表面功函数(WF)向上移位显示了目标钙钛矿薄膜的WF增加到300 meV，这有利于界面电荷的提取，增强了器件的稳定性。图2. 温度循环过程中的钙钛矿结构演化（图源自Science ）总的来说，在正常工作条件下经历的热应力会导致相变和晶格应变，从而阻碍钙钛矿太阳能电池(PSCs)的稳定性。用聚合物偶极子覆盖由钙钛矿薄膜组成的晶体，可产生应变缓冲和晶格建立效应，从而减轻热应力的影响。这项研究选择了特定的聚合物偶极子b-聚(1,1-二氟乙烯)(b-pV2F)。b-pV2F高度有序偶极结构与特定的钙钛矿组分相互作用，在加工过程中控制钙钛矿薄膜结晶，并与器件内的电荷选择触点进行能量对齐。研究报道了b-pV2F器件在有源面积为18 mm2的情况下，功率转换效率提高了24.6%，在更大的面积为1 cm2的情况下，功率转换效率提高了23.1% (SIMIT认证的有源面积为9.6 mm2的PCE为24.24%)。b-pV2F应变缓冲效应能够在高达75°C的温度下稳定输出功率，以及在−60°到+80°C之间的快速温度变化。这项工作确定了一种制造稳定钙钛矿太阳能电池的新策略。论文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7331

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