阳离子反应性抑制高效稳定太阳能模块中钙钛矿的降解
高效率和长期稳定性是钙钛矿太阳能电池模块 (PSM) 商业化的关键需求。尽管PSM的功率转换效率 (PCE) 已提升，但水分、热量和光照等因素引起的性能衰退仍需克服，特别是三维 (3D) 钙钛矿ABX3在热和光作用下的相降解问题。目前，添加离子液体添加剂和路易斯酸碱掺杂剂，以及表面钝化策略等措施已取得进展，但尚未达到商业稳定性要求。研究表明，尽管路易斯碱性离子液体 [Bcmim]Cl可在一定程度上抑制降解并促进薄膜均一性，但其阳离子无法掺入晶格，因此在热应力下仍不能完全防止降解。为进一步增强 PSM 的稳定性，需结合基础稳定增强机制的综合策略。
在此，华北电力大学丁勇（共同第一作者），联合洛桑联邦理工学院Mohammad Khaja Nazeeruddin教授、Paul J. Dyson教授、赵康宁、西湖大学王睿研究员、常州圣盛精工设备有限公司Jiang Sheng共同表明，将 N,N-二甲基亚甲基氯化物掺入钙钛矿前体溶液中形成二甲基铵阳离子，并且先前未观察到的甲基四氢三嗪 ([MTTZ]+) 阳离子有效地改善了钙钛矿薄膜。 [MTTZ]+阳离子的原位形成增加了碘空位的形成能，增强了碘离子和铯离子的迁移能垒，从而抑制了非辐射复合、热分解和相分离过程。优化的 PSM 在孔径面积为 27.2 cm2的情况下实现了创纪录的（经认证的）PCE 23.2%，稳定的 PCE 为 23.0%。在 85°C 和 85% 相对湿度、1.0 太阳光照下进行约 1900 小时的最大功率点跟踪后，封装的 PSM 保留了其初始 PCE 的 87.0%。相关成果以“Cation reactivity inhibits perovskite degradation in efficient and stable solar modules”为题发表在《Science》上，华北电力大学为第一单位 ，据小编所知，这是华北电力大学校史首篇《Science》研究型论文。
[Dmei]Cl 添加剂和钙钛矿薄膜的表征
图1.[Dmei]Cl钙钛矿薄膜的反应机理、形貌、元素图和晶格
紫外-可见吸收光谱显示，[Dmei]Cl膜的光学间隙略高于对照膜，其载流子迁移率、寿命和扩散长度显著提高，且电导率更高（图2A-B）。通过导电原子力显微镜观察到，在85°C热诱导降解下，[Dmei]Cl膜的电导率更稳定，对照膜则因降解出现显著暗区（图2A）。XRD表明，[Dmei]Cl薄膜在热老化600小时后保持稳定，并且Pb-I键距从3.14 Å增至3.17 Å（图2C）。EXAFS分析显示老化后Pb的氧化态保持为+2，对照膜的Pb配位数则从7.2降至4.7（图 2H），而[Dmei]Cl膜接近原始值的5.9，显示其结构稳定性和电荷传输效率均优于对照膜。
图2.热老化过程中钙钛矿薄膜的原位电导率和局部晶体结构
钙钛矿薄膜的光稳定性
图3 光应力对钙钛矿薄膜PL峰强度和位置的影响
PSM 的光伏性能和稳定性
图 4. PSM 的光伏性能和长期运行稳定性
小结
文章来源：高分子科学前沿
IEEE Spectrum
《科技纵览》
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