【引言】

 近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳电池因其卓越的光电性能受到广泛的研究关注，光电转换效率也从2009年的3.8%飞速提升至目前的22.7%。然而，低温制备的多晶MAPbI₃钙钛矿薄膜，晶界处存在的大量缺陷难以避免。这些缺陷不仅会引起载流子复合，还会严重影响电池器件的光电转换效率与稳定性。基于此，研究者通过反溶剂修饰，在MAPbI₃中引入带有路易斯酸/碱功能基团的半导体有机小分子，系统深入地研究了钝化机理，有效抑制了钙钛矿薄膜缺陷，提升钙钛矿太阳电池的光电性能及稳定性，最终得到最高19.3%的光电转化效率，并在50%的相对湿度环境下放置40天，其效率仍能保持在最初效率的80%以上。

【成果简介】

 近日，来自陕西师范大学刘生忠教授团队，题为“Stable High-Performance Perovskite Solar Cells via Grain Boundary Passivation”的相关研究成果发表于Advanced Materials。陕西师范大学刘生忠教授和赵奎教授为文章的共同通讯作者，硕士生牛天启为文章第一作者。在该研究中，研究人员在钙钛矿晶界处引入半导体有机小分子，通过形成路易斯酸碱加合物或是卤素-富勒烯自由基，钝化Pb²⁺空位或Pb-I反位缺陷。研究还发现，能级匹配度更高的半导体有机小分子能够更加有效地钝化缺陷，促进载流子在钙钛矿晶粒间的传输。晶界钝化在提升器件光电性能的同时，晶界处的小分子能够有效地抵御水汽的进入，提升器件整体的稳定性。

图一：晶界钝化概念模型：

(a). 带有路易斯酸/碱功能基团的半导体有机小分子结构图和能级图

(b). 路易斯酸/碱功能基团与MAPbI₃晶面间的选择性作用

(c-d). MAPbI₃晶界钝化模型

(a). 一步旋涂法制备钝化的MAPbI₃薄膜示意图

(b-e). 原位GIWAXS测试分析不同分子修饰MAPbI₃的相变过程和结晶性质

(f).  MAPbI₃的结晶动力学模型

(a). ITIC钝化的MAPbI₃薄膜SEM平面图

(b). ITIC钝化的MAPbI₃薄膜SEM截面图

(c). ITIC钝化的MAPbI₃薄膜TEM截面图及EDAX谱图

(d).不同分子钝化的MAPbI₃薄膜稳态荧光谱图

(e).不同分子钝化的MAPbI₃薄膜荧光寿命谱图

(f). 不同钙钛矿太阳电池的阻抗图

(g). ITIC钝化钙钛矿太阳电池的暗态I-V谱图

(h).不同分子钝化的MAPbI₃薄膜缺陷态统计

(i). 不同分子钝化的MAPbI₃薄膜电子、空穴迁移率统计

(a). 钙钛矿太阳电池结构示意图

(b). 对比不同钙钛矿太阳电池的J-V曲线图

(c). 对比不同钙钛矿太阳电池的效率直方图

(d). 对比不同钙钛矿太阳电池的EQE曲线

(a). 50%湿度条件下，放置60天，不同钙钛矿薄膜的图片

(b). 不同分子钝化MAPbI₃薄膜的接触角

(c). 50%湿度条件下，不同钙钛矿薄膜的XRD谱图

(d). 不同钙钛矿器件的湿度稳定性测试

(e). 不同钙钛矿器件的热稳定性测试

 刘生忠教授领导的团队是国内外较早从事钙钛矿太阳电池研究的团队之一。团队利用升温析晶法，首次制备出了超大尺寸单晶钙钛矿CH₃NH₃PbI₃晶体，尺寸超过2英寸。同时在平面和柔性钙钛矿等方面也取得了显著的研究成果：包括采用独特的界面修饰方法，平面异质结电池效率达到19.62%；发展了优质的TiO₂和Ni₂O₅电子传输层的低温沉积工艺，制备的柔性钙钛矿电池效率达到18.32%。这些成果都达到了同类研究的国际先进水平。