转载  南航国际前沿科学研究院

【研究背景】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率、低成本以及可柔性和可透明性等优势，被视为下一代光伏技术的有力竞争者。然而，钙钛矿在规模化制备后的稳定性和效率问题一直是制约其商业化应用的主要挑战。

【文章简介】

近日，课题组博士生田炳坤以第一作者身份在能源与环境科学领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》（EES，影响因子32.4）上发表了题为“Interfacial coordination utilizing chelating ligands for operationally stable perovskite solar modules”的研究论文。该论文报道了一种界面配位策略，该策略不仅有效钝化表面缺陷，还为钙钛矿表面提供了一层电子能级适配的配位聚合物，从而显著提高了面向商业应用的钙钛矿电池模组的效率和运行稳定性。

【本文要点】

图1 界面配位策略。(A) 萘二酰亚胺衍生物DBNDI（上）和DPNDI（下）的静电势图。（B） DBNDI和DPNDI堆叠在FAPbI₃（记作FPI）薄膜上的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图。（C） GIWAXS剖面的方位角图。(D) 在FPI薄膜上的(DPNDI)PbI₂晶体结构。

研究团队通过使用含有吡啶末端基团的萘二酰亚胺衍生物（DPNDI）作为螯合配体，由于吡啶边缘的氮原子具有高电负性，DPNDI与表面金属离子之间产生强配位键合作用，最终在钙钛矿表面组装形成一层Pb(II)配位聚合物。

图2 钙钛矿表面相互作用。通过开尔文探针力显微镜 (KPFM) 获得的 (A) 原始FPI薄膜，(B) FPI/DBNDI薄膜和 (C) FPI/DPNDI薄膜的表面电势及统计分布图。(D) 基于接触电势差 (CPD) 得到的薄膜表面功函数分布。(E) FPI、FPI/DBNDI和FPI/DPNDI薄膜的XPS Pb 4f谱图。(F) PbI₂、DBNDI/PbI₂以及DPNDI/PbI₂在DMF溶液中的核磁共振（NMR）谱图。

实验表明，DPNDI与钙钛矿表面暴露的Pb²⁺离子形成强配位键，显著提升了界面的稳定性。处理后的钙钛矿表面不仅表现出均匀的电势分布，并且使得其功函数转向n型，有利于界面的电荷提取。

图3 界面配位模型。(A) DBNDI和 (B) DPNDI吸附在FAPbI₃ (001) 表面的计算电荷密度差图。（C）四种典型表面点缺陷的结构。（D）计算了有无DPNDI修饰的四种表面缺陷的形成能。

通过密度泛函理论（DFT）计算确定了萘二酰亚胺衍生物（DPNDI/DBNDI）与钙钛矿表面之间的界面配位作用，电荷转移增强、缺陷形成能增加等理论结果进一步验证了DPNDI与钙钛矿表面的强相互作用带来的效果。

图4 电荷-载流子动力学及器件性能。(A) FPI、DPNDI和C₆₀层的能级排列示意图。 (B) 电流密度与电压（J-V）特性曲线（插图：稳定功率输出）。 (C) 原始PSCs和DPNDI或DBNDI修饰的PSCs的外部量子效率（EQE）谱图。 (D) 冠军DPNDI钙钛矿模组的J-V特性曲线，有效面积为31.6平方厘米（插图：DPNDI模组的照片）。 (E) 原始、DBNDI和DPNDI处理得到电池的瞬态光电压。 (F) 原始、DBNDI和DPNDI 处理得到电池的开路电压 (V_OC) 与自然对数 ln (J_SC) 的关系。

基于该界面配位策略制备的钙钛矿太阳能电池分别实现了0.16平方厘米单元电池25.0%和31.6平方厘米模组22.6%的光电转换效率(PCE)，与已报道同尺寸太阳能模组的最高效率相当。

图5 钙钛矿模组的加速老化研究。(A) 在空气中40 °C条件下，对封装模组进行恒定1个太阳光照并跟踪最大功率点 (MPP) 时，模组的归一化PCE随老化时间的变化。 (B) 钙钛矿薄膜的温度依赖性导电性变化。 (C) DBNDI和DPNDI处理的FAPbI₃中碘离子迁移的计算最小能量路径。 (D) 不同温度下DPNDI封装模组的运行稳定性。 (E) 加速因子（AF）的自然对数与1/k_BT的关系图。(F) 封装模组的归一化PCE与等效老化时间的关系图。

DPNDI处理后的太阳能模组在不同温度下均表现出优异的运行稳定性。结果显示，在40 °C和85 °C下，31.6平方厘米的太阳能模组在连续运行2000小时后，仍分别保持了超过95%和85%的初始PCE。加速老化研究表明，钙钛矿太阳能模组的T₈₀寿命（达到初始效率80%的所用时间）约9556小时（25 °C，1个太阳光），为同尺寸钙钛矿模组之新高。该项研究丰富了大面积钙钛矿电池表面钝化的技术途径，并促进了其商业化发展。

【论文信息】

Tian, B., Zhang, P., Liu, T., Chu, W., Long, Y., Xu, P., ... & Zhang, Z. Interfacial coordination utilizing chelating ligands for operationally stable perovskite solar modules. Energy & Environmental Science (2024).

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/ee/d4ee02803a