文章信息
一种通用的表面钝化剂的三元溶剂体系使钙钛矿太阳电池效率超过26%
第一作者：张强，黄浩
通讯作者：李美成*
单位：华北电力大学
研究背景
在过去十几年中，各种策略被提出以提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率（PCE），例如体掺杂、能级调控、电荷传输层优化、缺陷钝化等，这使得钙钛矿太阳电池最新认证的PCE提高到26.7%。在这些策略中，缺陷钝化被认为是提升PCE的最有效方法，因为钙钛矿薄膜中存在大量缺陷，尤其是其表面。设计和选择合适的材料作为钝化剂是实现有效钝化，提高PSCs效率的重要课题。在过去的几年中，各种材料包括路易斯酸碱分子和有机铵盐等被提出来钝化薄膜中的缺陷。
使用PEAl及其衍生物钝化钙钛矿表面已被广泛报道，并成为制造高效率PSCs的常用技术。随着对使用PEAl及其衍生物进行表面钝化的更深入理解，研究人员开始关注溶剂及其在钝化过程中对PSCs的影响，因为在旋涂法中溶剂是不可避免的，旋涂法是引入表面钝化剂的最常用方法。异丙醇（IPA）作为一种常用的溶剂，由于其在溶解钝化材料方面表现出色，已在大多数PSCs表面处理研究中使用。然而，FAI也溶于IPA，这可能会在表面造成额外的缺陷。因此，当使用IPA作为钝化剂的溶剂来钝化钙钛矿薄膜表面时，普遍存在可重复性差、器件不稳定等问题。钝化材料的溶剂对钝化效果有显著影响，其中精细控制溶剂在溶解钝化剂和其对钙钛矿组分的选择性溶解能力是必要的。因此，本文提出了一种表面钝化剂的三元溶剂体系以最大化表面钝化在提高PSCs光伏性能方面的潜力。
文章简介
近日，来自华北电力大学的李美成教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“A Universal Ternary Solvent System of Surface Passivator Enables Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 26%”的文章。该文章提出了一种通用的表面钝化剂的三元溶剂体系来最大限度地提升钝化剂的钝化效果。
图1.三元溶剂体系增强钝化效果
本文要点
要点一：三元溶剂体系的设计思路
我们通过综合考虑溶剂的溶解度和对钙钛矿的选择性溶解提出了一种通用的表面钝化剂的三元溶剂体系来最大限度地提升钝化效果。这种三元溶剂体系包含钝化剂溶剂-异丙醇（IPA）,稀释剂-氯苯（CB）和钝化促进剂-四氢噻吩1-氧化物（THTO），可以保护表面FAI组分不被IPA溶解并实现充分钝化。
图2.钝化剂的三元溶剂体系的设计思路
要点二：CB对钙钛矿表面的保护作用
我们使用非极性溶剂氯苯作为稀释剂来最小化异丙醇（IPA）的使用量，CB的加入可以有效抑制薄膜的分解，保护钙钛矿表面的FAI组分不被溶解，从而抑制由IPA诱导的缺陷。
图3.氯苯（CB）的保护作用
要点三：THTO增强钝化剂与表面结合
我们通过比较多种非质子极性溶剂与钙钛矿表面结合能力大小和对钙钛矿晶格的扭曲能力，筛选出THTO作为钝化促进剂，它可以促进钝化剂与钙钛矿表面反应，实现对钙钛矿表面的充分钝化。
图4.THTO促进钝化剂与表面结合
要点四：三元溶剂体系增强钝化效果，提升器件性能
采用三元溶剂体系制备的钙钛矿薄膜具有更低的缺陷密度，更长的载流子寿命，非辐射复合也得到了显著的降低。最终基于三元溶剂体系的钙钛矿太阳电池获得了26.05%的光电转化效率（认证：25.66%），未封装的器件也显示出了增强的稳定性，对于其他钝化剂也展现出了良好的适用性。
图5.三元溶剂体系增强缺陷钝化效果
图6.采用三元溶剂体系的钙钛矿电池效率及稳定性
文章链接
Q. Zhang, H. Huang, Y. Yang, M. Wang, S. Qu, Z. Lan, T. Jiang, Z. Wang, S. Du, Y. Lu, Y. Suo, P. Cui, M. Li. A Universal Ternary Solvent System of Surface Passivator Enables Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 26%. Adv. Mater. 2024, 2410390.
通讯作者简介
李美成，华北电力大学新能源学院院长，教授/博导，RSC Fellow，享受国务院政府特殊津贴。“长江学者”特聘教授，第四批国家“万人计划”科技领军人才，教育部科技委学部委员，科技部中青年科技创新领军人才，教育部高等学校教学指导委员会委员，首都百名科技领军人才。国家科技奖评审专家，IEEE PES储能材料与器件技术分委会主席，中国可再生能源学会常务理事、光伏专委会副主任，中国高科技产业化研究会常务理事、新能源与碳中和专业委员会主任。主要从事新能源、储能技术及智慧能源系统等方面的研究工作。
在Nature Energy、Joule、Science Advances等国内外期刊发表论文300余篇；获中国和美国专利授权60项，软件著作权5项，中英文编著8本。以第一完成人获省自然科学一等奖、教育部自然科学二等奖、北京市科技奖等科技奖6项。2019年获“电力科技创新大奖”，入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家2020，2022年榜单（World's Top 2% Scientists），2021年获“电力科技成果‘金苹果奖’一等奖”，2022年获中国可再生能源学会技术发明一等奖。
第一作者简介
张强，现为华北电力大学新能源学院李美成教授博士研究生。
黄浩，2023年毕业于华北电力大学，获博士学位。现为华北电力大学新能源学院青年教师。主要研究方向为高性能太阳电池设计、制备与应用探索。
课题组介绍
华北电力大学新能源材料与器件实验室依托“新能源电力系统”国家重点实验室和"清洁能源学"北京市重点学科，重点围绕新能源技术的创新源头——“新能源材料与器件”开展理论技术创新和应用技术开发，研究与开发新型太阳能电池等能量转换器件、锂/钠离子电池等能量存储器件，以及光纤传感器等未来能源互联网和综合能源系统所需新型电力、信息元器件等传感器件。现有近千平米实验室，包括恒温恒湿超净间，以及先进的实验仪器设备百余台/套，现代化的科研环境为高水平的科技创新提供了保障条件。欢迎有志于新能源技术创新研究及应用开发的同学报考本课题组！
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