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北化大谭占鳌教授团队 Small: 可交联有机配体同时实现钙钛矿界面和晶界的协同钝化

时间：2022-05-10 来源：浏览：

北化大谭占鳌教授团队 Small: 可交联有机配体同时实现钙钛矿界面和晶界的协同钝化

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#化学锚定 1 个

#原位交联 1 个

#界面-晶界协同钝化 1 个

#钙钛矿太阳能电池 13 个

#稳定性 4 个

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有机 - 无机卤化物钙钛矿太阳能电池代表着最先进的新兴光伏技术。然而，环境中的水 / 湿度和温度引起的钙钛矿的固有降解和相变极大地阻碍了其商业化进程。界面和晶界控制对实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池至关重要。界面和晶界上的缺陷引起的非辐射复合抑制了电荷密度的增加，降低了器件的光电压。而且这些缺陷是水、热等外部因素的攻击位点，会导致钙钛矿的分解。

近期，北京化工大学谭占鳌教授团队在《 Small 》期刊上发表了题为 “ Crosslinkable and chelatable organic ligand enables interfaces and grains collaborative passivation for efficient and stable perovskite solar cells ” 的文章（ DOI ： 10.1002/smll.202201820 ）。为了结合交联和配位双重功能，该课题组选择邻菲罗啉作为共轭骨架，苯乙烯基团作为交联官能团，设计了一种能降低 SnO ₂ 和钙钛矿中未配位的离子缺陷和增强钙钛矿太阳能电池长期稳定性的可交联有机配体（ C1 ）材料。该材料通过成本效益高的 Williamson 反应一步合成，用于协同优化电子传输层 / 钙钛矿界面和钙钛矿晶界。

本文亮点

1. C1 可以通过热引发原位发生交联聚合，形成疏水且稳定的聚合物网络，冻结钙钛矿形态，抑制钙钛矿在水气氛围中的降解。同时，利用脂肪族季戊四醇四 (3- 巯基丙酸 )(PETMP) 与乙烯基的反应，可以将 C1 的交联温度降低到 120℃ 左右。

2 . C1 中的菲啰啉基团可以与 SnO ₂ 电子传输层中的 Sn ⁴⁺ 和钙钛矿层中的 Pb ²⁺ 通过配位键进行化学螯合，抑制界面和晶界处存在的缺陷而引起的非辐射复合。通过理论分析 (VASP) 、 XPS 和接触角表征，系统地研究了金属氧化物和钙钛矿的协同作用机理，揭示了金属氧化物和钙钛矿表面和晶界改性的材料设计规律。

3. 因此，通过协同优化钙钛矿的界面和晶界，得到的 PerSCs 器件表现出 24.31% 的高 PCE 。在 40±5% 的高湿度大气中暴露 384 小时后，未封装的器件的 PCE 保留率为 94.4% ，在 70±5% 的高湿度大气中再暴露 120 小时后，器件的 PCE 仍然具有 92.2% 的保留率。具有优异的水 / 湿度稳定性。

这一策略为同时提高钙钛矿器件的效率和稳定性提供了新的见解，有望引起更大的关注，推动钙钛矿基的光电器件的进一步发展。

图 1 (a) C1 交联反应示意图。 (b) 交联的 C1 薄膜在 CF 洗涤前后的紫外 - 可见吸收光谱。插图 : 不同加热条件下的交联度。 (c) 交联的 C1 与 PETMP 薄膜在 CF 洗涤前后的紫外 - 可见吸收光谱。插图 : 不同加热条件下的交联度。 (d) 未交联的 C1 、交联的 C1 、与 PETMP 交联的 C1 的 ATR-FT-IR 光谱。

图 2 (a) C1 在 SnO ₂ 上的初始和优化结构。 (b) C1 在 FAPbI ₃ 上的初始和优化构象。 (c) C1 分子的 HOMO 和 LUMO 分布。 (d) SnO ₂ 、 SnO ₂ (CF 洗涤 ) 、 SnO ₂ /C1 和 SnO ₂ /C1 (CF 洗涤 ) 表面的水接触角照片。 (e) PbI ₂ 、 C1 和 C1/PbI ₂ 沉淀的 FTIR 光谱。插图 : 当 PbI ₂ 和 C1 在 DMF 中混合时，溶液中产生了沉淀。 (f) SnO ₂ 和 SnO ₂ /C1 表面 Sn 3d 的 XPS 谱。 (g) P b 4f 在 PbI ₂ 和 C1/PbI ₂ 表面的 XPS 光谱 (DMF 洗涤 ) 。

图 3 (a) SnO ₂ 、 C-C1 、 C-C1-P 、 SnO ₂ /C-C1 、 SnO ₂ /C-C1-P 的费米能级示意图，以及钙钛矿层的导带和价带示意图。使用 UPS 测量了这些 ETL 的费米能级。 (b) ITO/C-C1/Al 、 ITO/SnO ₂ /Al 和 ITO/SnO ₂ /C-C1/Al 的 I−V 特性。 (c) ITO/ETL/ 钙钛矿 /PCBM/Ag 结构的纯电子器件的暗态 I−V 曲线。 (d) 钙钛矿薄膜在不同条件下的稳态 PL 和 (e) TRPL 光谱。

图 4 (a) 该使用 C1 分子的器件和结构示意图以及化学锚定和原位交联机理。 (b) PerSCs 器件正反向扫描的 J-V 曲线。 (c) PerSCs 器件有关 J-V 参数的统计图。 (d) 平面型 PerSCs 的相应 EQE 。 (e) V _OC 与光照强度的关系。 (f) J _SC 与光照强度的关系。 (g) FA _1−x MA _x PbI ₃ -based PerSCs 在正反向扫描下的 J-V 曲线。 (h) FA _1−x MA _x PbI ₃ -based PerSCs 对应的 EQE 。

图 5 (a) 对照和 (b) C-C1/C-C1-P 钙钛矿膜浸入水中约 2 秒前后的 XRD 谱图。插图 : 相应钙钛矿薄膜浸入水中前 ( 上 ) 和浸入水中后 ( 下 ) 的数码照片。 (c) 在环境湿度为 40±5% 或 70±5% 时，对照和 C-C1/C-C1-P 器件的效率演变。插图 : 对应湿度下实际器件随时间变化的照片。 (d) 在 N ₂ 手套箱中 80℃ 下对照和 C-C1/C-C1-P 装置的效率演变。

论文第一作者为北京化工大学博士生马宗文，论文通讯作者为北京化工大学谭占鳌教授。北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心为论文第一完成单位，该研究得到国家自然科学基金的资助支持。

原文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202201820

作者团队简介

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谭占鳌 ，北京化工大学教授，博士生导师。 2007 年毕业于中国科学院化学研究所，获得博士学位； 2007-2009 年在美国宾夕法尼亚州立大学做博士后研究； 2009-2019 年在华北电力大学可再生能源学院工作； 2019 年 11 月至今在北京化工大学软物质科学与工程高精尖中心工作。 2010 年入选北京市科技新星计划， 2012 年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。 2014 年、 2018 年两次获北京市科学技术奖。主要研究方向：聚合物 / 钙钛矿太阳电池材料与器件，量子点 / 钙钛矿电致发光材料与器件。在 Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett. 等国际期刊上发表 SCI 收录论文 210 余篇，被引用 12000 余次。担任国家科技奖、科技部重点研发计划、国家自然科学基金评审专家， Polymers 、发光学报等期刊编委。

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