近日，课题组本科生唐雅婧＆孙向楠博士在期刊ACS Applied Materials＆Interfaces上发表题为“High-Performance Perovskite Solar Cells Enabled by One-Dimensional Capping Layer with Conjugated Ligands”的研究性论文。

研究背景

钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其效率高、成本低、带隙可调等优点而备受关注，但其溶液加工过程中快速结晶导致的晶界和表面缺陷严重制约了器件的性能与稳定性。尽管利用低维(LD)钙钛矿结构能够有效钝化表面缺陷，但形成的有机钝化层通常表现出较差的电荷传输能力，进而抑制光伏器件的性能。鉴于此，研究团队提出了一种新的解决方案，通过在三维钙钛矿表面形成基于共轭配体喹啉胺(QA)的一维(1D)钙钛矿层，不仅有效钝化了表面缺陷，还提高了电荷传输效率，最终协同提升了PSCs的光电转换效率和稳定性。

本文要点

基于共轭配体喹啉胺(QA)合成了一维(1D)钙钛矿单晶(QA)PbI₄，并由单晶X射线衍射(SC-XRD)表征验证了其晶体结构。通过密度泛函理论计算发现，(QA)PbI₄能够形成Ⅱ型能级排列，促进了界面电荷分离与转移，减少了势阱内的介电限域效应，从而提高了载流子的传输性能。

图1. 基于共轭配体的1D钙钛矿。(a) (QA)PbI₄晶体结构的侧视图和(b) 俯视图。(c) (QA)PbI₄、(QA)I₂和PbI₂的紫外可见吸收光谱。(d) 1D/3D钙钛矿电池示意图。计算所得(QA)PbI₄的VBM (e)和CBM (f) 电荷密度等值面图(0.00001 e/Å3)。

实验表明，用(QA)I₂处理的三维(3D)钙钛矿薄膜，在3D钙钛矿表面成功形成了1D钙钛矿层，能够有效促进空穴传输，减少界面间的非辐射复合。

图2. 结构表征。(a) 原始钙钛矿薄膜和 (b) 1D/3D钙钛矿薄膜的俯视图SEM图像。(c) 原始钙钛矿薄膜和1D/3D钙钛矿薄膜的XRD谱图。(d) 原始钙钛矿薄膜和1D/3D钙钛矿薄膜的XPS N 1s谱图。

1D钙钛矿的形成减少了钙钛矿薄膜表面缺陷，提高了载流子提取效率，有效提升了钙钛矿太阳能电池器件的光伏性能，在0.16 cm²的器件中实现了24.8%的能量转化效率(PCE)。

图3. 太阳能电池特性及载流子动力学分析。(a) 3D和1D/3D PSCs的J-V特性曲线和(b) SPO。(c) 3D和1D/3D钙钛矿纯电子器件的SCLC曲线。3D和1D/3D钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光光谱 (d) 无空穴传输层 (e) 有空穴传输层。(f) 3D和1D/3D器件的瞬态光电流。

此外，基于QA的1D钙钛矿层的修饰还显著提高了PSCs的环境稳定性、热稳定性和运行稳定性。1D/3D PSCs在25℃、65%相对湿度(R.H.)空气中储存1500小时后，以及在40℃连续1个太阳照射、最大功率点(MPP)跟踪下运行3500小时后，能量转换效率的损失都可忽略不计。此外，它们在85℃和85%R.H.空气中进行1200小时湿热测试后，依然保留了95%以上的初始PCE，成为迄今报道的最稳定的1D/3D钙钛矿太阳能电池之一。

图4. 太阳能电池稳定性。(a) 在25℃和65%R.H.空气中，未封装器件的归一化PCE随老化时间的变化。(b) 3D和1D/3D钙钛矿薄膜在25℃和65%R.H.空气中的XRD追踪图谱。(c) 在85℃和85%R.H.的湿热测试中，封装器件的归一化PCE随老化时间的变化。(d) 85℃下3D和1D/3D钙钛矿薄膜的XRD追踪图谱。(e) 封装器件在40°C连续1个太阳光照射、MPP跟踪下的归一化PCE随老化时间的变化。(f) 3D和1D/3D钙钛矿薄膜电导率随温度的变化。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c21423