重磅Science：钝化配体脒基化稳定钙钛矿太阳电池

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因素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。最高效的PSCs采用有机铵盐配体来修复表面缺陷并减少在钙钛矿/电荷传输层界面处的非辐射复合。这些功能得益于铵基功能团与带电表面缺陷之间的强静电相互作用，以及其可调的化学性质。虽然利用不同类别的铵盐配体组合能够同时实现化学钝化和场效应钝化，但铵盐配体在光和热应力下容易去质子化，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。铵盐的去质子作用导致钝化效果丧失，并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。

近日，美国西北大学的Sargent、Kanatzidis和Chen团队在钙钛矿光伏器件领域取得了重要突破。他们针对钙钛矿器件中铵盐钝化配体容易去质子化的问题，开发了一种针对场效应和化学钝化的脒基配体库，其N-H键由于共振效应得到增强，能够抵抗钝化配体去质子化，从而提高钙钛矿表面钝化层的热稳定性。该策略使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光照老化后光致发光量子产率的保持率提高了两倍。基于这一方法的反式PSCs实现了26.3%的认证稳态效率，并展示出在85°C下空气环境中1100小时的稳定运行。

1、开发“脒基化”钝化策略，有效提升钝化配体的抗去质子化能力。

2、增强钝化层的自身稳定性，使钙钛矿薄膜光电稳定性提升两倍。

3、实现了钙钛矿光伏器件优异效率和稳定性的结合。

图1、脒基配体的稳定性 © 2024 AAAS

A.本研究中使用的配体的分子结构。DFT计算得到的铵基配体及其相应脒基配体的N-H解离能（E_D），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。

图2、脒基钝化层的稳定性 © 2024 AAAS

A.采用PDAI₂和PDII₂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4FBAI和4FBII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。PDAI₂、PDII₂、4FBAI和4FBII处理的新鲜和老化钙钛矿薄膜中C₃H₁₂N₂²⁺、C₇H₉FN⁺、C₃H₁₀N₄²⁺和C₇H₈FN₂⁺的ToF-SIMS分析结果。

图3、脒基配体的钝化效果 © 2024 AAAS

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）。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PLQY。D. 钙钛矿薄膜在无C₆₀的情况下，经85°C、50%相对湿度和光照老化前后的PLQY。

图4、器件性能 © 2024 AAAS

A.器件结构的截面SEM图像。B.对照组、PDAI₂/3MTPAI和PDII₂/4FBII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。 在85°C、50%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。

将钝化配体的锚定基团由铵基替换为脒基，可以有效抑制配体的去质子化，在高温下显著提升钝化层的稳定性，同时保持优异的钝化效果。因此，对钝化配体进行脒基化，并结合功能性拓展，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。

杨熠：美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis和Edward H. Sargent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。目前以第一作者/共同一作在Science (2篇)、Nature、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、Sci. Adv.等国际著名期刊上发表论文20篇。在Science和Nature等期刊上合作发表论文49篇，引用次数超过3000次，H指数27，拥有国际专利一项，国内专利两项。担任Nat. Energy、Nat. Nanotechnol、J. 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。2021至2024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，于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篇)、Nature (3篇)、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Energy、Advanced Materials (3篇)等著名期刊上发表了多篇论文。担任Nat. Energy、Nat. Rev. Mater.、ACS Photonics、Mater. Today Electron.等期刊审稿人。

刘成：美国西北大学Edward H. Sargent和Mercouri 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）身份在Science (3篇)、Nature、Nat. Energy、Nat. 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Nature和Science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. Nanotechnol、Adv. 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。2021至2024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篇)、Nature (3篇)、Science (5篇)、Nat. Commun. (2篇)、Nat. Energy (2篇)、Nat. Photonics、J. Am. Chem. Soc. (2篇)、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater. (4篇)等。同时，担任Nature等国际期刊审稿人。

原文详情：Yi Yang, Hao Chen, Cheng Liu, Jian Xu, et al. Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells. Science (2024).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2091

本文由歪歪供稿。

如果您希望开展计算工作，苦于没有合适的计算人才，也可以联系我们。5年以来，我们与入驻材料人平台的300余位计算顾问一起，共同服务了超过5000位客户，涵盖了包括VASP在内的多款软件以及第一性原理、分子动力学、有限元等领域。