南昌大学陈义旺团队：稳定钙钛矿溶液，提升钙钛矿太阳能电池性能

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有机-无机混合钙钛矿太阳能电池（PVSCs）效率自2009年3.8%提升至认证PCE 26.15%，展现竞争潜力。然而，溶液处理材料不稳定性阻碍商业化。溶液老化影响钙钛矿层性质及PVSCs性能，故开发稳定前驱溶液至关重要。南昌大学陈义昌团队于Angewandte发表的研究(DOI: 10.1002/anie.202411708)中，探讨提升钙钛矿太阳能电池（PVSCs）前驱溶液稳定性的创新方法。其中提出虽然有多种延长保质期策略，研究团队发现两步法前驱溶液老化更显着，因异丙醇更易引发副反应，针对两步法前驱溶液的调控尤为重要，此研究为两步法钙钛矿前驱溶液稳定化提供重要理论基础和实际指导研究团队提出创新方法：在有机胺盐溶液中添加苯-1,3-二硫醇（BDT），在PbI2前驱溶液中引入十甲基二茂铁（FcMe10/ FcMe10+）对。BDT抑制胺-阳离子副反应和碘离子氧化，FcMe10/ FcMe10+对循环氧化Pb0和还原I2。结果显示，改良后的PVSCs器件达25.31%的功率转换效率（PCE），21天后仍保持95%效率，未封装器件1500小时后维持85%初始效率。图1. a) 两步前体溶液老化机制和靶向抑制策略的示意图。两步法前驱溶液制备与器件制程胺阳离子副反应是主要降解原因。去质子化引发副反应，生成低质量薄膜。I-离子氧化为I2影响性能。PbI2分解为Pb0和I2增加非辐射复合。研究者提出多种方法，如引入添加剂抑制去质子化、还原I2缺陷、控制结晶等。然而，现有研究主要集中一步法，单一添加剂难以全面解决问题。需开发选择性稳定方法以维持精确化学计量比。以下是透过论文全文及补充资料所归纳出的研究手法1.     前体溶液的稳定化：研究人员针对两步法中的前体溶液稳定性问题，提出了一种新方法。他们在有机胺盐溶液中加入苯-1,3-二硫醇（BDT）和在碘化铅（PbI2）前体溶液中加入十甲基二茂铁（FcMe10/ FcMe10+），以稳定前体溶液。2.     抑制副反应：BDT的加入可以抑制胺-阳离子副反应和碘离子的氧化，从而形成酸性和还原环境。FcMe10/ FcMe10+则作为氧化还原穿梭，循环氧化Pb0和还原I2。3.     光电转换效率测试：研究人员制备了过氧化物太阳能电池（PVSCs）装置，并测试其光电转换效率（PCE）。结果显示，改良后的前体溶液制成的PVSCs装置表现出的PCE为25.31%，并且在溶液老化21天后仍能保持95%的效率。Fig S20. 参考和改良的光伏电池的 J-V 曲线，具有不同浓度的 a) BDT 和 b) FcMe10 在标准 AM 1.5 G 照明条件下（100 mW·cm-2）本研究使用光焱科技AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器，可便于整合手套箱。针对易衰退的材料器件量测上具有相对有效的数据取的。4.     长期稳定性测试：未封装的装置在最大功率点追踪下连续照射1500小时后，仍能保持85%的原始效率。Fig5. k) 对应设备的J-V曲线。l) 在N2手套箱中，在25°C下恒定光照下监测未封装设备的MPP。5.     各项表征量测与分析:l   X射线衍射（XRD）分析：为了探测前体溶液老化对残留应力的影响，研究人员进行了深度依赖的掠入射X射线衍射（GIXRD）测量。FigS13.来自a)控制前体溶液和b)在不同时间经过老化的目标前体溶液制备的钙钛矿薄膜的XRD图谱。l   核磁共振（NMR）分析：通过1H-NMR测量来检查反应物和产物的转化，以深入了解降解和抑制机制。l   紫外-可见（UV-vis）和稳态光致发光（PL）测试：这些测试用于评估大面积过氧化物薄膜的均匀性和光伏性能。FigS5.显示了紫外-可见光吸收光谱和照片：(a) 纯BDT溶液的吸收光谱，显示在300 nm左右有吸收峰。(b) 纯I?和I?-BDT溶液的吸收光谱。I?溶液在300-400 nm范围内有明显的吸收峰，而I?-BDT溶液的吸收峰强度明显降低，显示出BDT对I?的影响。FigS16.a）控制前体溶液制备的钙钛矿薄膜和b）不同时间老化的目标前体溶液制备的钙钛矿薄膜的稳态PL光谱。室温下展现前驱体溶液95%的初始效率稳定性本研究提出了针对性创新的策略，通过引入BDT和FcMe10+添加剂来稳定前驱体溶液，显着延长了两步前驱体溶液的保存期。这种方法的核心在于利用BDT中的-SH基团和FcMe10/FcMe+10氧化还原对来抑制有机阳离子的降解和I-的氧化。此策略不仅提高了前驱体溶液的稳定性，还改善了最终钙钛矿薄膜的质量。结果表明，采用这种方法制备的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸、更少的缺陷和显着减少的PbI2残留。这些改进直接转化为光伏性能的提升，实现了25.31%的高效率。值得注意的是，即使在室温下存储21天后，掺杂的前驱体溶液仍保持稳定，相应器件仍能保持95%的初始效率。通过解决前驱体溶液稳定性这一关键挑战，本研究为推进光伏技术的大规模应用做出了重要贡献。文献参考自Angewandte 2024_Doi:10.1002/anie.202411708本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权  请来信告知