江西師范大學(xué)&南昌大學(xué)陳義旺團隊發(fā)表《Crown Ethers with Different Cavity Diameters Inhibit Ion Migration and Passivate Defects toward Efficient and Stable Lead Halide Perovskite Solar Cells》。本文詳細介紹了兩種不同的冠醚衍生物（PC12和PC15）在提高鈣鈦礦太陽能電池效率和穩(wěn)定性方面的應(yīng)用，它們能選擇性地與不同的金屬陽離子結(jié)合，有效控制鋰離子遷移并鈍化Pb2+離子。通過實驗驗證，PC12和PC15可以作為“潤滑劑”和缺陷鈍化劑以及離子遷移控制劑，從而顯著提升器件的性能和穩(wěn)定性，優(yōu)化后的器件實現(xiàn)了24.8%的轉(zhuǎn)換效率。

01 研究背景

有機-無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性遠遠落后于商業(yè)化的硅基太陽能電池，這嚴重阻礙了它們的進一步商業(yè)化。外部環(huán)境和內(nèi)部因素如鈣鈦礦缺陷、離子遷移和殘留晶格應(yīng)變都會影響PSCs的穩(wěn)定性。為了克服這些缺點，已經(jīng)探索了各種策略如組成工程、添加劑工程、界面工程等。一些有機分子能夠在鈣鈦礦薄膜的表面和體積上鈍化缺陷位點，冠醚就是其中之一。此外，Spiro-OMeTAD作為器件的的空穴傳輸材料，其p型摻雜劑會加速水分滲透和Li+離子遷移到鈣鈦礦層中，形成有害缺陷。因此，應(yīng)該采取有效策略來控制Li+離子遷移。文章設(shè)計和合成了兩種不同腔體大小的冠醚衍生物，PC12和PC15，它們可以與不同的金屬陽離子選擇性地配位。當PC12和PC15應(yīng)用于鈣鈦礦層和HTL之間的界面以及鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中時，釋放了鈣鈦礦薄膜的殘余應(yīng)變，優(yōu)化了能級陣列的匹配，降低了陷阱態(tài)密度，并控制了非輻射復(fù)合，提高器件轉(zhuǎn)換效率和增加器件的穩(wěn)定性。

02 研究成果

本研究提出了一種巧妙的協(xié)同策略，利用具有不同空腔直徑的冠醚與不同的金屬離子的選擇性配合來增強鈣鈦礦設(shè)備的性能和穩(wěn)定性：

（1）開發(fā)了兩種具有不同空腔大小的冠醚衍生物，它們能夠通過主客相互作用機制選擇性地與Li+和Pb2+結(jié)合。

（2）PC15可以更有效地在鈣鈦礦前驅(qū)體中調(diào)節(jié)成核和結(jié)晶過程，并鈍化未配位的Pb2+離子。同時，PC12能更有效地控制鋰離子的遷移和非輻射復(fù)合反應(yīng)界面。因此，PC12和PC15協(xié)同應(yīng)用于鈣鈦礦層與HTL之間的界面以及鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，以提升鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。

（3）優(yōu)化后的器件光電轉(zhuǎn)換效率PCE達24.8%，未封裝的目標器件在溫度為25±5°C、相對濕度（RH）為75±5%的大氣條件下老化2160小時后，仍保持了其原始性能的85%。

03 測試表征

文中采用了多種測試表征技術(shù)，包括電流密度?電壓（J?V）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）、瞬態(tài)光電流（TPC）、瞬態(tài)光電壓（TPV）、飛行時間質(zhì)譜（ToF-SIMS）、掃描電鏡SEM、原子力顯微鏡（AFM）、紫外可見光譜（UV?vis）、XRD、PL、TRPL、熒光壽命成像顯微鏡（FLIM）、水接觸角（CA）等。

其中，利用瞬態(tài)光電壓（TPV）和瞬態(tài)光電流（TPC）測試分析揭示器件內(nèi)部載流子傳輸和復(fù)合的機制。如圖4（g）TPV測試表明，通過添加PC15來處理鈣鈦礦前驅(qū)體，并且利用PC12對界面進行修飾，鈣鈦礦器件的載流子壽命顯著延長，從106.5微秒增加到576.2微秒，這表明載流子的非輻射復(fù)合大大減少。此外，在TPC測試中（見圖S25），我們發(fā)現(xiàn)目標器件顯示出的載流子壽命（0.7微秒）遠快于對照器件（4.2微秒），這意味著目標器件中電荷傳輸更為高效，這有助于減少滯后現(xiàn)象。這些結(jié)果表明，由于冠醚與Pb2+之間的相互作用，目標器件的晶界和界面上的缺陷顯著減少。

圖4. (g) Transient photovoltage decay curves of the control and target devices

圖. S25 Transient photocurrent decay curves of the control and target devices

04 相關(guān)設(shè)備

瞬態(tài)光電流TPC/光電壓TPV測量儀TranPVC 900：東譜科技早于2017年推出該設(shè)備TranPVC 100，TranPVC面市后，迅速得到客戶的認可。目前在光伏、光催化、光探測等研究領(lǐng)域的關(guān)注度高，有很好的用戶基礎(chǔ)。TranPVC 發(fā)展至今，完成了全系列的產(chǎn)品升級—TranPVC 900。TranPVC 900集成了數(shù)種前沿的瞬態(tài)測量模式，包括瞬態(tài)光電壓TPV、瞬態(tài)光電流TPC、瞬態(tài)光電荷TPQ、電荷抽取CE、開路電壓上升與衰減Voc Riseand Decay、探測器響應(yīng)時間TRTF、On-off TPV、On-off TPC等數(shù)種前沿的測量模式。為光電器件的機理研究提供了強有力的、便捷的測試工具。

▍引用文章

Crown Ethers with Different Cavity Diameters Inhibit Ion Migration and Passivate Defects toward Efficient and Stable Lead Halide Perovskite Solar Cells

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.4c08168

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