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中科院青島能源所逄淑平團隊 Angew：三維聚合物鈍化網絡用于鈣鈦礦太陽能電池

2023-03-07 來源：高分子科技

鈣鈦礦太陽能電池中存在的大量缺陷導致晶界和界面發生嚴重的非輻射復合，嚴重影響器件性能。在所有缺陷中，由于形成能較低，未配位Pb²⁺缺陷更容易形成。根據路易斯酸堿理論，未配位Pb²⁺是一種空軌道可以接受電子對形成配位鍵的路易斯酸。研究表明，用強配位的聚合物是鈍化該缺陷的有效手段。然而，直接在前驅體中加入聚合物容易影響薄膜的結晶過程，降低晶體質量，影響薄膜的表面形貌和器件性能。此外強極性的聚合物通常只溶解在極性溶劑如DMSO中，容易破壞鈣鈦礦膜，難以實現鈍化層的直接制備。

圖1 聚合鈍化路線

近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所逄淑平研究員團隊根據作用位置的不同采用多種聚合策略引入聚合物鈍化劑（圖1），構建了三維聚合物鈍化網絡用于高性能鈣鈦礦太陽能電池。其中低沸點單體體相原位聚合可以有效地去除未聚合的單體，只保留聚合物在薄膜中。預聚合/二次聚合方法的引入有助于實現難溶于常用反溶劑的聚合物在薄膜表面的的制備。該策略使薄膜的半導體類型由強n型轉變為弱n型，促進了鈣鈦礦層與空穴傳輸層之間的能級對準，延長了載流子壽命和擴散長度，顯著提升了器件的開路電壓和光電轉換效率。由于鈣鈦礦更接近于本征半導體，器件效率提高到24.22%（認證效率為24.16%），小面積組件的PCE達到21.55%（圖2）。這項工作為實現難溶于反溶劑的聚合物鈍化層提供了一種新的策略，有利于擴展聚合物在鈣鈦礦太陽能電池中的應用。該工作以“Polymerization Strategies to Construct a 3D Polymer Passivation Network toward High Performance Perovskite Solar Cells”為題發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 202301574）。文章第一作者是青島能源所博士生劉大昌和副研究員王嘯博士。該研究得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金和山東能源研究院的支持。

圖2 鈍化效果與器件性能

該工作是團隊近期關于提高鈣鈦礦效率和穩定性相關研究的最新進展之一。鈣鈦礦太陽能電池中自發形成的諸多缺陷不僅影響器件性能，在光和熱應力作用下的還可以誘導離子遷移以及加速降解，制約了鈣鈦礦光伏器件的商業化。在小分子添加劑(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 20043?20050；Chem. Eng. J., 2023, 454, 138559；Adv. Energy Mater. 2023, 2203635)研究的基礎上，團隊進一步引入光熱穩定性較好的聚合物作為鈍化劑，通過強配位作用有效鈍化了薄膜中的未配位Pb²⁺缺陷，獲得了開壓高達1.23V的鈣鈦礦電池（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, 202113932），并通過共聚合策略合成了具有雙功能作用的聚合物作為鈍化層，同時鈍化界面處的陰陽離子缺陷，相應器件在最大功率點追蹤測試1000h后，仍能保持95%的初始效率（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 202213478）。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202301574

下載：Polymerization Strategies to Construct a 3D Polymer Passivation Network toward High Performance Perovskite Solar Cells

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（責任編輯：xu）

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