美国西北大学Sargent & Kanatzidis & Chen最新Science:钝化配体脒基化稳定钙钛矿太阳电池

百科   2024-11-22 08:18   北京  

1121日,国际顶级学术期刊Science在线发表了美国西北大学SargentKanatzidisChen团队题为“Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells”的研究论文。

钙钛矿太阳能电池(PSCs)近年来在性能上取得了显著进展。推动这一进步的关键是表面钝化技术的应用,包括低维钙钛矿、芳香胺和铵盐配体的使用。然而,当前最先进的表面钝化技术依赖于铵基配体,这些配体在光照和热应力下容易发生去质子化,生成挥发性的胺类和卤素化物。胺类物质可以通过亚胺交换反应与钙钛矿发生反应。这一过程不仅导致铵盐钝化效果丧失,而且会在钙钛矿薄膜表面产生空位缺陷,从而降低器件在长期运行过程中的稳定性。

针对钙钛矿器件中铵盐钝化配体易于去质子化的问题,研究团队开发了一种用于场效应和化学钝化的脒基配体库。脒基配体的N-H键因共振效应而增强,能够有效抵抗脱质子化,从而显著提升钙钛矿表面钝化层的热稳定性。该策略将配体的去质子化平衡常数降低了十倍以上,并使钙钛矿薄膜在85°C光照老化后的光致发光量子产率保持率提升了两倍。基于该方法的反式PSCs实现了26.3%的认证准稳态效率,并在85°C空气环境下连续运行1100小时,性能稳定。

该研究表明,脒基钝化配体在缺陷钝化和提升高温下钝化层稳定性方面展现出巨大的潜力,是开发下一代钝化策略的一个极具潜力的方向,有望进一步提高高效钙钛矿光电器件的耐久性。

美国西北大学博士后研究员杨熠、陈昊、刘成以及加拿大多伦多大学博士后研究员徐健博士为共同第一作者。美国西北大学Edward H. SargentMercouri G. KanatzidisBin Chen为共同通讯作者。原文链接及部分作者介绍见文末。

1 脒基配体的稳定性。A. 本研究中使用的配体的分子结构。B. DFT计算得到的铵基配体及其相应脒基配体的N-H解离能(ED),以及通过0.05 N配体溶液与0.05 N NaOH滴定测得的酸解离常数(pKa)值。C. 使用不同配体钝化的PSCs的光电转换效率(PCE)对比。

2 脒基钝化层的稳定性。A. 采用PDAI₂PDII₂处理的新鲜和老化钙钛矿薄膜的N 1s XPS深度剖析,以及采用4FBAI4FBII处理的新鲜和老化钙钛矿薄膜的F 1s深度剖析。白色表示最高强度,红色和蓝色表示最低强度。B. PDAI₂PDII₂4FBAI4FBII处理的新鲜和老化钙钛矿薄膜中C3H12N22C7H9FN⁺C3H10N42C7H8FN2ToF-SIMS分析结果。

3 脒基配体的钝化效果。A. 不同配体处理的钙钛矿薄膜表面附近导带中的电子密度(n)。B. 不同配体处理的钙钛矿薄膜的TRPL光谱。C. 钙钛矿薄膜在有无C60沉积情况下的PLQYD. 钙钛矿薄膜在无C60的情况下,经85°C50%相对湿度和光照老化前后的PLQY

4 器件性能。A. 器件结构的截面SEM图像。B. 对照组、PDAI₂/3MTPAIPDII₂/4FBII钝化器件的PCE统计数据。C. 最佳PDII₂/4FBII钝化器件的J-V曲线。D. PDII₂/4FBII钝化器件的稳定输出效率。E. 85°C50%相对湿度的空气中、1太阳光光照条件下,玻璃封装器件的最大功率点(MPP)稳定性追踪。

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2091

【作者介绍】

杨熠美国西北大学Edward H. SargentMercouri G. Kanatzidis课题组博士后研究员。长期致力于有机-无机杂化半导体材料的设计、合成、解析,以及其在光电器件应用等方面的研究。目前已第一作者/共同一作在Science (2)NatureNat. EnergyEnergy Environ. Sci.Nat. Commun.Adv. Energy Mater.Sci. Adv.等国际著名期刊上发表论文20篇。在ScienceNature等期刊上合作发表论文49引用次数超过3000H指数27拥有国际专利一项国内专利两项。担任Nat. EnergyNat. NanotechnolJ. Am. Chem. Soc.Adv. Mater.等期刊审稿人。

陈昊:上海交通大学溥渊未来技术学院副教授,博士生导师,国家级青年人才项目入选者。20212024年在加拿大多伦多大学和美国西北大学Edward H. Sargent课题组从事博士后研究。研究方向为单结/多结钙钛矿基光伏器件,2023年实现了钙钛矿光伏器件准稳态认证效率世界纪录26.1%,并将1 cm2器件认证效率提升至25.2%先后以第一作者(含共同)身份在Science (3)Nature (3)Nature PhotonicsNature MaterialsNature EnergyAdvanced Materials (3)等著名期刊上发表了多篇论文。担任Nat. EnergyNat. Rev. Mater.ACS PhotonicsMater. Today Electron.等期刊审稿人。

刘成:美国西北大学Edward H. SargentMercouri G. Kanatzidis课题组博士后研究员。主要研究方向为钙钛矿光伏器件及辐射探测器。目前以第一作者(含共同)身份Science (3)NatureNat. EnergyNat. Commun.Sci. Adv.Adv. Mater.Adv. Energy Mater.Angew. Chem. Int. Edit.Energy Environ. Sci.等国际著名期刊上发表论文20余篇。在NatureScience等期刊上合作发表论文50余篇,拥有国际和国内专利各一项。担任Nat. NanotechnolAdv. Mater.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Edit.等期刊审稿人。

徐健:北京理工大学前沿交叉科学研究院教授,博士生导师,国家级青年人才项目入选者。20212024年在加拿大多伦多大学Edward H. Sargent课题组从事博士后研究。主要研究利用理论计算、数据驱动和人工智能方法,设计新型表界面分子和半导体材料,解决光电器件效率和稳定性方面的关键问题。截至目前,已发表SCI论文37篇,其中第一/通讯作者(含共同)28篇,包括Nat. Mater. (1)Nature (3)Science (5)Nat. Commun. (2)Nat. Energy (2)Nat. PhotonicsJ. Am. Chem. Soc. (2)ACS Energy Lett.Adv. Funct. Mater. (4)等。同时,担任Nature等国际期刊审稿人。

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