【文章信息】

PFPA 雙功能錨定調(diào)控鈣鈦礦成核與結(jié)晶，抑制 δ 相提升太陽(yáng)能電池效率與穩(wěn)定性

第一作者：龔程

通訊作者：張聰*，李海云*，張鴻*，許梁*

單位：江西理工大學(xué)，河南理工大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)

【研究背景】

α-甲脒鉛碘(α-FAPbI3)鈣鈦礦因窄帶隙(1.48 eV)、高熱穩(wěn)定性，成為高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)的核心候選材料。然而，溶液法制備過(guò)程中，α-FAPbI3成核勢(shì)壘高且FA+陽(yáng)離子體積大，易形成光學(xué)惰性的α-FAPbI3雜質(zhì)相(帶隙 2.43 eV)，不僅加速非輻射電子 - 空穴復(fù)合，還會(huì)降低晶體質(zhì)量與器件穩(wěn)定性，成為PSCs性能提升的關(guān)鍵瓶頸?，F(xiàn)有通過(guò)路易斯酸堿配位調(diào)控結(jié)晶的策略中，功能配體多僅與FAI發(fā)生化學(xué)作用，無(wú)法有效鈍化鈣鈦礦體相缺陷;且當(dāng)體系含MABr/MACl 等組分時(shí)，結(jié)晶過(guò)程更難控制，器件穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。因此，開(kāi)發(fā)能同步調(diào)控結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、抑制雜質(zhì)相且鈍化缺陷的新策略，對(duì)推動(dòng)α-FAPbI3基 PSCs實(shí)用化至關(guān)重要。

【文章簡(jiǎn)介】

近日，河南理工大學(xué)張聰教授、復(fù)旦大學(xué)李海云教授/張鴻教授、江西理工大學(xué)許梁教授團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際頂刊《Nano Letters》上發(fā)表題為“Bifunctional Ligand Anchoring Modulates Colloidal Nucleation and Intermediate-Phase Crystallization for δ-Phase-Suppressed High-Efficiency Perovskite Solar Cells”的研究論文。

該研究創(chuàng)新性引入3-(五氟苯基)丙酸(PFPA)作為雙功能配體，通過(guò)其氟苯環(huán)與I-的陰離子-π作用、羰基(C=O)與Pb2+的配位作用，調(diào)控?zé)oMA、純碘體系鈣鈦礦前驅(qū)體的膠體行為與結(jié)晶過(guò)程，成功抑制α-FAPbI3雜質(zhì)相生成，制備出高相純度、低缺陷密度的α-FAPbI3鈣鈦礦薄膜，最終實(shí)現(xiàn)效率與穩(wěn)定性雙突破。

【文章要點(diǎn)】

要點(diǎn)一：PFPA 的雙功能作用機(jī)制，精準(zhǔn)錨定鈣鈦礦組分

PFPA分子同時(shí)具備電子受體(氟苯環(huán))與電子供體(羰基)基團(tuán)：氟苯環(huán)含5個(gè)強(qiáng)吸電子氟原子，形成缺電子環(huán)境，與FAI中的I-發(fā)生陰離子-π相互作用;羰基(C=O)的孤對(duì)電子與PbI2中的Pb2+形成強(qiáng)配位鍵;

要點(diǎn)二：調(diào)控前驅(qū)體膠體與溶劑蒸發(fā)，降低成核勢(shì)壘

未加PFPA時(shí)，鈣鈦礦前驅(qū)體膠體尺寸僅0.1-1 nm(平均 0.27 nm);加入PFPA后，膠體尺寸增至350-450 nm(平均 384 nm)，且分布更均一(對(duì)比PFCl、HFB的寬分布膠體);PFPA與Pb2+的配位作用削弱DMSO與PbI2的結(jié)合，加速溶劑蒸發(fā)，減少溶劑配位雜質(zhì)生成，同時(shí)降低晶體成核勢(shì)壘，促進(jìn)細(xì)小鈣鈦礦晶粒均勻生長(zhǎng)。

要點(diǎn)三：抑制δ相雜質(zhì)，提升薄膜質(zhì)量與電荷輸運(yùn)性能

原位UV-vis、PL、XRD表征顯示：PFPA 延遲結(jié)晶動(dòng)力學(xué)(目標(biāo)膜結(jié)晶時(shí)間 9.54 s vs 對(duì)照膜 4.02 s)，抑制無(wú)序中間相生成，20 s內(nèi)完全消除δ-FAPbI3相;改性薄膜晶粒尺寸從380.4 nm增至619.2 nm，缺陷密度從1.38×101? cm-3降至6.08×101? cm-3.載流子壽命從197.94 ns 延長(zhǎng)至 673.94 ns，電荷遷移率提升至30.51 cm2 V-1 s-1.顯著減少非輻射復(fù)合。

要點(diǎn)四：器件效率與穩(wěn)定性雙突破

小面積(0.09 cm2)器件最高功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)26.41%，1 cm2 大面積器件 PCE達(dá)24.38%，且無(wú)明顯滯后現(xiàn)象;穩(wěn)定性測(cè)試：未封裝器件在 AM1.5G 光照下連續(xù)MPPT測(cè)試1500 h，效率保持率> 90%;封裝器件在85℃、85%相對(duì)濕度(RH)濕熱條件下老化1300 h，效率保持率> 85%，遠(yuǎn)超對(duì)照器件(1500 h MPPT 保持率 70%，1300 h 濕熱保持率 < 65%)

【文章鏈接】

Bifunctional Ligand Anchoring Modulates Colloidal Nucleation and Intermediate-Phase Crystallization for δ-Phase-Suppressed High-Efficiency Perovskite Solar Cells

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04217