仪器表征，科学家首次提出钙钛矿材料表面处理新策略！

【科学背景】

随着太阳能技术的快速发展，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效能和低成本制造引起了广泛关注。钙钛矿材料作为下一代光伏材料，单结PSCs的转换效率已经超过了26%，显示出巨大的潜力。然而，钙钛矿太阳能电池在商业化应用中仍面临许多挑战，其中最关键的是操作稳定性问题。尽管当前的研究在提高初始效率方面取得了显著进展，但要实现与硅基太阳能电池相媲美的使用寿命，还有许多技术难题需要克服。

钙钛矿材料存在许多离子缺陷，这些缺陷在制造和使用过程中会影响器件性能和稳定性。为了解决这些问题，科学家们开发了多种表面处理策略，如铅氧盐、离子液体、自组装单分子层和二维钙钛矿层等。这些方法在一定程度上提高了钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。然而，这些处理方法通常仅在制造阶段有效，难以在设备操作和储存过程中处理新生成的缺陷。而环境应力因素（如湿度、热量和光照）会加剧这些缺陷的形成，进一步影响设备的长期稳定性。

为此，香港城市大学冯宪平教授与牛津大学Henry J. Snaith教授等科学家们提出了一种“活性处理剂”的概念，通过包含动态共价键（DCBs）的材料来实现钙钛矿的动态修复。这种方法不仅在制造过程中对钙钛矿薄膜进行处理，还能在设备操作和储存期间持续发挥作用。具体来说，科学家们利用一种含有阻滞尿素/硫代氨基甲酸酯键（HUBLA）的Lewis酸碱材料，这种材料在水和热的作用下能够生成新的活性剂，动态钝化钙钛矿中的缺陷，从而提高设备的性能和稳定性。

本研究中，HUBLA材料被用于钙钛矿太阳能电池的表面处理。在暴露于湿气或热量时，HUBLA会生成新的活性剂，进一步钝化钙钛矿中的缺陷。实验结果表明，这种处理策略显著提升了钙钛矿太阳能电池的性能，器件的转换效率达到了25.1%。此外，在氮气环境下85°C的条件下，经过约1500小时的老化测试，HUBLA处理的设备保持了其初始PCE的94%；在空气中85°C和相对湿度30%的条件下，经过1000小时的老化测试，设备保持了其初始PCE的88%。

【科学亮点】

1. 实验首次提出了实时响应的钙钛矿表面处理策略：利用含有动态共价键（DCBs）的HUBLA材料，该材料在水和热的激活下可以动态修复钙钛矿，从而增强器件的性能和稳定性。这种策略不仅在制造过程中对沉积的钙钛矿薄膜进行处理，还在器件制造后继续发挥作用。

2. 实验通过HUBLA及其生成物实现了高效能器件：

• 通过HUBLA材料与钙钛矿光电活性层中的离子缺陷发生反应，生成新的钝化剂，从而钝化缺陷并提高器件性能。

• HUBLA材料在暴露于湿气或热量的情况下，可以释放额外的Lewis碱，进一步钝化钙钛矿中的缺陷。这一特性使得器件能够在环境应力下自我修复，保持高效能。

3. 实验结果表明，使用HUBLA的钙钛矿太阳能电池（PSC）性能显著提高：

• 实验实现了转换效率（PCE）达到25.1%的高性能钙钛矿太阳能电池。

• HUBLA设备在氮气环境中85°C下经过约1500小时的老化测试，仍能保持其初始PCE的94%。

• 在空气中85°C和相对湿度30%的条件下，经过1000小时的老化后，HUBLA设备仍能保持其初始PCE的88%。

4. 提出了一种新型的“活性处理剂”概念：HUBLA材料通过动态共价键技术，在器件操作和存储期间响应环境应力动态修复钙钛矿，从而提升了器件的稳定性和长期性能。这种方法为解决钙钛矿太阳能电池中因环境应力导致的性能衰退问题提供了一种有效的新途径。

【科学图文】

图1：HUBLA 的动态反应、水解和氧化还原穿梭。

图2. 钙钛矿薄膜上HUBLA的动态反应和钝化。

图3. 钙钛矿薄膜的稳定性。

图4：钙钛矿光伏电池的性能和稳定性。

【科学结论】

本文开发并应用了一种新型的动态共价键材料——阻滞尿素/硫代氨基甲酸酯键（HUBLA），用于改善钙钛矿太阳能电池（PSC）的性能和稳定性。传统上，钙钛矿材料由于其在湿热环境下易于形成缺陷而限制了其长期稳定性，这对其商业化应用构成了挑战。HUBLA的引入不仅使得钙钛矿能够在制造过程中得到更好的控制，还能在器件使用后动态地修复新生成的缺陷。通过与水和热的相互作用，HUBLA能够释放出新的活性剂，进一步钝化钙钛矿中的离子缺陷，从而显著提升了器件的长期稳定性和性能。具体来说，实验结果显示，经过HUBLA处理的钙钛矿太阳能电池在高温和潮湿条件下的长期老化测试中，保持了高达94%的初始转换效率（PCE），表明其在应对恶劣环境条件下的优越性能。未来，基于动态共价键的表面处理策略可能不仅局限于太阳能电池领域，还有望在其他光电器件以及功能性材料的设计和性能优化中发挥重要作用，推动能源技术的进步和应用拓展。

原文详情：Wang, WT., Holzhey, P., Zhou, N. et al. Water- and heat-activated dynamic passivation for perovskite photovoltaics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07705-5