探索新型添加剂策略：增强有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池的性能与稳定性
在光伏技术的不断演进中，有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借其卓越的功率转换效率（PCE）和潜在的商业化价值，正逐步成为下一代能源转换技术的明星。近年来，PSC的PCE已从初期的几个百分点跃升至超过26%的显著水平，这不仅得益于效率提升的持续追求，也伴随着稳定性的逐步增强和制造成本的持续下降。然而，尽管取得了这些进展，PSC的全面商业化仍面临严峻挑战，特别是其长期稳定性问题以及有毒铅元素可能带来的环境风险。
钙钛矿材料对水分的高度敏感性是一个不容忽视的问题。当PSC暴露在湿润环境如雨水或高湿度条件下时，有毒铅元素可能从器件中逸出，对土壤和地下水构成潜在威胁。此外，钙钛矿薄膜的晶界和表面常存在未配位的离子缺陷，这些缺陷主要源于广泛采用的溶液法制备工艺，进一步加剧了钙钛矿的不稳定性。
为了应对这些挑战，南京工业大学和中山大学的科研团队携手创新，设计了一种名为逐步熔融聚合分子（SMPM）的新型添加剂——3-氟-4-甲氧基-N,N-双（4-乙烯基苯基）苯胺。这种添加剂在FAPbI3钙钛矿中发挥了多重积极作用。
首先，SMPM能够自发形成一层保护性疏水膜，在晶粒尺度上对钙钛矿进行封装，有效隔绝水分和其他降解因素。其次，其分子结构中的氟原子与FA+离子形成强氢键，同时与Pb2+建立配位键，这种双重作用机制不仅延缓了钙钛矿的结晶过程，还促进了高质量钙钛矿薄膜的形成。
实验结果显示，基于SMPM的平面PSC展现出了令人瞩目的性能。其PCE达到了25.21%的冠军水平，光电压（VOC）为1.187 V，光电流密度（JSC）为25.70 mA cm-2，填充因子（FF）为82.64%。这些数据充分证明了SMPM添加剂在提升PSC性能方面的显著效果。
本研究的核心亮点在于对SMPM在钙钛矿退火过程中的三阶段相变的深入探索。从固态熔化到液态溢出晶界，再到最终的自聚合形成疏水性晶粒级封装，这三个阶段紧密相连，共同构成了SMPM在PSC中的独特作用机制。此外，SMPM还通过改善结晶质量、减少非辐射复合以及优化能级排列等方式，进一步提升了PSC的性能。
尤为重要的是，SMPM的添加有效保留了黑色α-FAPbI3相的稳定性，同时显著抑制了铅元素的泄露风险。这一发现不仅为PSC的长期稳定性提供了有力保障，也为解决有毒铅元素的环境问题提供了新的思路。
综上所述，本研究通过设计并应用逐步熔融聚合分子（SMPM）作为新型添加剂，成功提升了有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池的性能与稳定性。这一创新策略不仅为PSC的商业化进程注入了新的活力，也为光伏技术的未来发展开辟了新的方向。
A Stepwise Melting-Polymerizing Molecule for Hydrophobic Grain-Scale Encapsulated Perovskite Solar Cell
Riming Sun, Shaoyu Chen, Qingyun He, Pinghui Yang, Xuan Gao, Mengyang Wu, Junbo Wang, Chongyu Zhong, Xiangru Zhao, Mubai Li, Qiushuang Tian, Yingguo Yang, Aifei Wang, Wei Huang, Renzhi Li, Tianshi Qin, Fangfang Wang
Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202410395
