Adv Sci ︱陈润锋/许利刚团队提出软界面动态调控钙钛矿薄膜质量获得超过6200小时光稳定性反式太阳电池

Original 吕文轩岚翰生命科学 2023-03-10

撰文︱吕文轩

责编︱方以一，王思珍

编辑︱方以一

钙钛矿太阳电池（PSCs）由于其优异光电性质在过去的十几年发展迅速，但是其稳定性问题仍然是未来商业化的最大阻碍。虽然封装技术可以解决水氧侵蚀引起的非本征稳定性问题，但是不能解决钙钛矿薄膜自身分解导致的本征稳定性问题[1-3]。提高PSCs本征稳定性最重要的目标制备高质量低缺陷的钙钛矿薄膜。钙钛矿/埋底界面对钙钛矿结晶、界面缺陷和残余应变有重要影响，是制备高质量钙钛矿薄膜的关键因素。具体地讲，常用空穴传输材料聚（三芳基胺）（poly(triarylamine), PTAA）由于其超强疏水性导致亲水的钙钛矿前驱体在其表面不能很好地铺展，制备的钙钛矿薄膜粗糙且有大量孔洞[4]；钙钛矿—基底界面存在大量缺陷，促进离子迁移、非辐射电荷复合、磁滞以及器件不稳定[5]；钙钛矿(≈3.3–8.4 × 10⁻⁵ K⁻¹)与基底(≈0.4–1.0 × 10⁻⁵ K⁻¹)的热膨胀系数相差较大[6]，导致钙钛矿薄膜从热退火到冷却到室温的过程中基底的粘附限制钙钛矿收缩，在钙钛矿埋底界面处产生残余应变，使得钙钛矿晶格畸变，加速钙钛矿分解。因此，提高PTAA的润湿性，钝化钙钛矿-基底界面缺陷，释放残余应变以获得高质量的钙钛矿薄膜对于制备高稳定反式PSCs具有非常重要的意义。

2022年8月17日，南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室陈润锋教授/许利刚副教授课题组在Advanced Science上发表了题为“Constructing Soft Perovskite–Substrate Interfaces for Dynamic Modulation of Perovskite Film in Inverted Solar Cells with Over 6200 Hours Photostability”的研究。该研究提出了一种动态调控策略，通过使用具有长烷基链和路易斯碱基的两亲软分子（ASM）构建的软埋底界面来调控钙钛矿薄膜的形成，获得高质量钙钛矿薄膜。未封装的器件表现出优异的光稳定性，在高温（≈65°C）和连续标准太阳光照 6200小时后，仍保持84%的初始效率。

钙钛矿薄膜的本征稳定性在很大程度上决定着PSCs器件整体的稳定性。同时，高性能PSCs在很大程度上取决于钙钛矿薄膜的质量，这与钙钛矿在基底表面旋涂和退火时的晶格畸变、钙钛矿结晶和界面缺陷密切相关。对此，作者提出了一种动态调控策略，通过使用具有长烷基链和路易斯碱基的两亲软分子 (ASM) 构建的软钙钛矿-基底界面来调控钙钛矿薄膜的形成，同时解决上述三个问题，获得高质量钙钛矿薄膜（图1）。

作者提出如下工作机理：理想情况下，从热退火到冷却到室温的过程中钙钛矿薄膜与基底的收缩程度是一样的，这时候没有应变的产生（图1b(I)）。然而，实际情况下，由于钙钛矿的热膨胀系数比基底的大得多，冷却过程中钙钛矿的收缩程度要比基底的大，这时基底的粘附会限制钙钛矿收缩，在钙钛矿—基底界面处产生残余应变，导致钙钛矿晶格畸变，加速钙钛矿降解（1b(II)）。引入ASMs构建介于PTAA与钙钛矿之间的软钙钛矿—基底界面以后，软的长链可以通过自由收缩或拉伸减小基底对钙钛矿薄膜的粘附，自适应钙钛矿薄膜与基底收缩不匹配，从而缓解界面残余应变，形成高质量的钙钛矿薄膜（图1b(III)）。此外，由于两亲性分子自身的特性，PTAA的润湿性得以提高，进一步提高钙钛矿薄膜质量。另外，分子中的路易斯碱基团与钙钛矿中的Pb元素相互作用，原位钝化钙钛矿中未配位的Pb²⁺，提高钙钛矿薄膜质量（图1b(IV)）。

图1 器件结构及工作机理