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【能源】氟化聚酰亚胺的新高值应用：多重钝化辅助量子隧穿实现高效稳定钙钛矿太阳电池

时间：2024-04-08 来源： 浏览：

【能源】氟化聚酰亚胺的新高值应用：多重钝化辅助量子隧穿实现高效稳定钙钛矿太阳电池

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近年来，钙钛矿太阳能电池取得了引人注目的进展。仅仅经过短短十余年的发展，其光电转化效率从3.8%迅速增长至目前的26.14%，使其成为备受瞩目的高效太阳能电池之一。然而，相关研究指出，钙钛矿薄膜表面的陷阱态密度明显高于体相，并且其化学计量比与体相内部存在巨大差异，这导致了钙钛矿界面处的非辐射复合现象。因此，在钙钛矿太阳能电池领域，通过引入适当的界面层和选择合适的界面材料对于提高器件的性能和稳定性至关重要。迄今为止，有各种绝缘非共轭聚合物，如甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯腈（PAN）、聚苯乙烯（PS）、聚乙二醇（PEG）、聚乙烯亚胺（PEI）和聚乙烯醇（PVA），已被用于优化钙钛矿晶界或钙钛矿与空穴传输层之间的界面接触。然而，这些聚合物大多是通过自由基聚合获得的，因此通常只具有有限的特定官能团。与其他通过自由基聚合方法制备的非共轭聚合物相比，通过缩合聚合方法制备的聚酰亚胺能够引入多样的特征官能团，这使得在分子结构调控方面展现出更大的灵活性。

图1. 基于氟化聚酰亚胺隧穿层助力高效稳定钙钛矿太阳能电池研究的概述图。
在此背景下， 中国科学院福建物质结构研究所高鹏 研究员团队设计并合成了一种 含有醚键和三氟甲基的新型氟化聚酰亚胺（FPI），命名为6FDA-6FAPB，并首次将其作为钙钛矿太阳能电池界面材料，以钝化器件表面缺陷并提高其性能和稳定性。

图2. FPI共聚物的表征、FPI与Pb I 2 之间的相互作用的验证。

图3. 理论计算辅助钝化分析。
FPI中的醚键和酰亚胺基团所含有的羰基都具有与钙钛矿中未配位的P b 2+ 配位的能力，同时，三氟甲基中的氟原子也可与 Pb 2+ 通过静电吸引力而产生相互作用。这两种相互作用的存在，有助于缺陷的钝化和器件性能的提升。通过实验和理论计算相结合，对FPI的作用机制进行了验证和解释。

图4. 绝缘FPI层的隧穿效应。
接着，研究验证了引入薄绝缘FPI界面层不会阻碍钙钛矿与空穴传输层之间的载流子传输，这是由于隧穿效应的存在。隧穿效应能够有效地阻止电子进入空穴传输层，从而减少了非辐射复合的发生，进一步提高了钙钛矿太阳能电池的性能与稳定性。

图5. 存在绝缘FPI层时的载流子动力学。
此外，研究进一步揭示了FPI存在的场钝化效应。由于FPI具有高功函数的特性，它能够提高钙钛矿表面的功函数，使得钙钛矿的能级向上弯曲，从而显著增强了载流子的传输，并同时抑制了界面处的电荷积累和复合。

图6. 器件稳定性。
因此，他们成功制备了光电转化效率达到了24.61%的钙钛矿太阳能电池，并且表现出优异的稳定性。这项研究的成功受益于硅电池和隧道氧化物钝化接触领域的经验，为提高钙钛矿太阳能电池的性能提供了新的思路和方法。
这一成果近期发表在 Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中国科学院福建物构所硕士研究生 刘春明 。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Fluorinated Polyimide Tunneling Layer for Efficient and Stable Perovskite Photovoltaics
Chunming Liu, Wei Yu, Yuheng Li, Can Wang, Zilong Zhang, Chi Li, Lusheng Liang, Kangcheng Chen, Lin Liu, Tinghao Li, Xuteng Yu, Yao Wang, Peng Gao
Angew. Chem. Int. Ed ., 2024 , DOI: 10.1002/anie.202402904
高鹏研究员简介
高鹏，中国科学院福建物构所研究员，博士生导师，国家高层次人才引进计划青年项目入选者。于2010年毕业于德国马普高分子研究所并获得化学博士学位。2011-2015年于洛桑联邦理工学院从事博士后工作，专注于近红外吸收染料及杂化钙钛矿材料设计合成。2017年1月筹建先进功能材料实验室（LAFM），担任研究员和课题组长，专注于用化学手段与稀土元素相结合制备新型半导体材料并应用于能源转换器件。持续获得厦门市双百人才计划，福建省百人计划，福建省引进高层次人才B类等人才项目资助。累计发表SCI期刊原创性论文与综述200多篇，受邀撰写书章节6部。其中部分研究成果以第一/通讯作者身份发表在 J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Joule、Nature Commun. 等权威期刊，多篇论文被选为期刊封面或热点论文。截止目前根据google scholar统计，个人SCI H-index为75，文章总引用41000余次。2018年-2026年连续六年获评Clarivate Analytics全球交叉学科领域“高被引科学家”。
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