中科院青岛能源所逄淑平、崔光磊、王啸团队AM：通用双功能聚合物增强钙钛矿电池的准费米能级分裂

第一作者：刘大昌，陈晨

通讯作者：逄淑平*，崔光磊*，王啸*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，中国科学院大学

器件的开压损失是制约其性能的重要因素之一，抑制体相复合和促进界面能级对准是提高开压的有效手段。但是大多研究仅集中于一方面进行优化，且对于钙钛矿体系的适用范围较为单一。因此，开发一种既能抑制体相复合又能促进能级对准的通用策略以减少 VOC损失是非常必要的。

近日，来自 中国科学院青岛生物能源与过程研究所的逄淑平研究员、崔光磊研究员、王啸副研究员团队 ，在国际知名期刊 Advanced Materials 上发表题为 “Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal DualFunctional Polymer” 的研究文章。该工作合成了一种高效通用的多功能聚合物添加剂聚丙烯酸甲酯-丙烯酰胺，得益于配位键和氢键的形成，阳离子和阴离子缺陷同时被钝化，有效抑制了体相非辐射复合。此外，由于聚合物与钙钛矿之间的强配位作用，薄膜表现出明显的p 掺杂效应，促进了吸收层与 HTL 之间的能级对准，降低了价带偏移。得益于体相非辐射复合的抑制和界面处的能级匹配，器件的准费米能级分裂显著增强，有效提升了器件的 VOC。

PMA-AA 是由丙烯酸甲酯（MA）和丙烯酰胺（AA）单体聚合而成。1HNMR和红外光谱FTIR的结果均证明了聚合反应的完成。采用 FTIR 分析PMA-AA 与钙钛矿之间的键合作用，具有孤对电子的羰基很容易与具有空轨道的Pb形成配位键（-C=OꞏꞏꞏPb），从而促使基团的振动峰向低波数方向明显移动。振动峰位置变化的幅度可以用来区分酯基和酰胺基团与 PbI ₂ 配位能力的强弱，酰胺基团明显具有较强的配位能力。酰胺作为双性基团，不仅能与 PbI ₂ 形成配位作用，还能与A 位阳离子（-NꞏꞏꞏH）形成氢键，这一点可以通过 FTIR 得到验证。XPS结果表明PMA-AA 与钙钛矿之间的配位作用明显强于氢键，说明PMA-AA 对薄膜中的缺陷钝化将产生p掺杂效应，有利于促进界面处的能级对准。

为了进一步验证该方法的普适性，我们通过调控钙钛矿晶格中 A 位阳离子和 Br 组分的含量，获得了不同的钙钛矿层。五种钙钛矿器件在引入 PMA-AA 后的VOC均出现了超过0.07 V 的增加，这些器件的 PCE 有明显改善。该方法在五种不同钙钛矿体系中的成功应用，证明了其良好的通用性和广阔的应用前景。

VOC 是反映器件性能的重要参数，VOC 的增加通常意味着非辐射复合损失的降低。非辐射复合包括体相复合、界面复合和能级失配三部分。为了阐明PMA-AA 添加剂的引入增强 VOC的机理，我们通过准费米能级分裂（QFLS）量化了器件中由不同原因引起的能量损失。研究表明，PMA-AA的引入有效降低了体相非辐射复合和界面能级失配引起的能量损失，从而增强了器件的VOC。

优化后的小面积器件效率从23.60%提高到25.04%，同时器件的VOC提高到近1.2V。基于该方法制备的组件（有效面积14cm ² ）获得了21.95%的PCE。未封装组件在黑暗条件下储存（RH≈5%，T≈25℃）1700h，仍能保持初始效率的85%。

Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal DualFunctional Polymer

逄淑平 ，研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。2011年博士毕业于德国马普高分子所/美因茨大学，现任中科院青岛能源所固态能源系统技术中心研究员、钙钛矿太阳能电池技术创新中心主任，主要从事新能源材料和器件方面的研究工作。近年来先后主持科技部国际合作项目，基金委面上项目、区域联合基金、优秀青年基金，山东省杰出青年基金项目，中科院青年促进会基金目等，获得山东省自然科学一等奖（第二位）。是甲脒基钙钛矿、气体修复技术的主要开创者，先后在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem.等国际知名期刊上发表论文100余篇。

崔光磊 ，研究员，博士生导师，国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。获山东省自然科学一等奖、青岛市自然科学一等奖等奖项。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位，2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。2009年2月以研究员到中科院青岛生物能源与过程所工作，青岛储能产业技术研究院执行院长、能源应用技术研究室主任，国际聚合物电解质委员会理事、国际储能创新联盟理事、中国化学会电化学委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员等。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等发表文章300多篇。

王啸 ，副研究员，硕士生导师。2010年毕业于兰州大学有机化学专业，获理学博士学位， 2010年7月起于中科院青岛生物能源与过程所工作。主要从事有机半导体功能材料的研究，作为负责人承担国家自然科学基金委青年项目、面上项目，山东省自然科学基金重点项目等。先后在材料、化学等方面的国际权威杂志Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Chem. Mater.、Org. Lett.等杂志发表相关论文40余篇。

固态能源系统技术中心组建于2009年2月，隶属于中国科学院青岛生物能源与过程研究所先进储能技术研究室。团队现有国家杰出青年科学基金获得者1人，国家优秀青年基金获得者1人，中科院青年促进会成员6人，山东省泰山学者3人，山东省杰出青年学者2人。近年来，研究组在高比能固态锂电池、锂离子电容器、下一代低成本储能器件（锌离子电池、镁离子电池等）等以及钙钛矿太阳能电池核心器件和关键材料等方面取得多项具有自主知识产权的成果和进展。