钙钛矿表面碘化铅梯度重构助力高环境稳定性的钙钛矿太阳能电池

近十年来，卤化铅钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到25.7%。通常，在钙钛矿前驱体溶液中引入适当过量的PbI₂可增加钙钛矿晶粒尺寸，且薄膜中残留PbI₂的钝化作用可以减少钙钛矿薄膜内部的载流子复合，提高了载流子寿命；然而在光和热作用下，钙钛矿与电荷传输层界面处的过量PbI₂容易分解为气态I₂和金属铅，并作为触发钙钛矿分解的位点，加速钙钛矿膜中的非辐射复合和离子迁移。因此，调控钙钛矿膜中不稳定的PbI₂，对同步实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池至关重要。

最近，通过在钙钛矿薄膜上与额外的Pb源或钙钛矿本身发生化学反应，在表面形成PbO、PbS和PbSO₄等无机钝化层可以提高器件性能和稳定性。然而，将钙钛矿薄膜表面随机分布的过量PbI₂转化为具有强化学键合、足以抵抗环境影响的均匀无机钝化层仍然是一个挑战。

图1. 钙钛矿薄膜表面重构生成双层钝化层的示意图

为此，近日西北工业大学王洪强教授（点击查看介绍）和叶谦副教授（点击查看介绍）于Angewandte Chemie International Edition 刊发通过表面重构调控钙钛矿中的二次相碘化铅制备具有优异环境稳定性的高性能钙钛矿太阳能电池的研究成果。如图1所示，展示了一种有效的表面重构策略，在钙钛矿薄膜表面滴加 ((C₂H₅O)₃Si(CH₂)₃NH₃)₂SO₄（在甲苯中由3-氨基丙基三乙基硅烷和硫酸和混合得到）溶液，可以将钙钛矿薄膜表面过量的PbI₂转化为双层的硫酸铅-二氧化硅。溶液中稍微过量的具有官能团（-(CH₂)₃NH₂）的3-氨基丙基三乙基硅烷可以作为引发剂选择性地与PbI₂反应，形成-R-NH₂-Pb²⁺中间物提高Pb²⁺的化学活性，有利于后续SO₄^2-与Pb²⁺之间的反应生成硫酸铅，沉淀在钙钛矿薄膜上作为第一层。第一层形成过程中残留的SO₄^2-可以进一步促进-O-Si-R-的交联，形成-O-Si-O-低聚物，最终演化为钙钛矿薄膜表面的第二层非晶氧化硅。所构建的硫酸铅-二氧化硅双层可以通过强化学键作用稳定钙钛矿晶格，从而形成即使浸入水中也能保持高稳定性的钙钛矿薄膜。在最大功率点工作条件下，具有这种双层钝化层结构的PSCs在连续照明1000小时后仍能保持超过82%的初始效率，PSCs的冠军效率达到24.09%。文章的第一作者是西北工业大学博士研究生叶林峰和博士后郭鹏飞。

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Managing Secondary Phase Lead Iodide in Hybrid Perovskites via Surface Reconstruction for High-Performance Perovskite Solar Cells with Robust Environmental Stability

Linfeng Ye^#, Pengfei Guo^#,  Jie Su, Kaiyuan Zhang, Chen Liu, Penghui Yang, Wenhao Zhao, Pengzheng Zhao, Zhe Liu, Jingjing Chang, Qian Ye*, Hongqiang Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202300678

导师介绍

王洪强

https://www.x-mol.com/university/faculty/52244 

叶谦

https://www.x-mol.com/university/faculty/52308