蘇州大學廖良生&王照奎團隊Adv. Funct. Mater.：用于穩定鈣鈦礦光伏的番茄紅素基仿生膜

【引言】

與傳統的硅基和復合太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的效率在十年內從3.8％上升到25.5％。盡管PSCs的效率與傳統太陽能電池相當，但其穩定性差是未來商業化不可忽視的問題。鈣鈦礦（PVSK）材料具有良好的光吸收性、雙極性電荷傳輸、高缺陷耐受性和易加工性能等優點。然而，PVSK薄膜中的缺陷和陷阱通過引起非輻射復合和離子遷移限制了器件的性能。最重要的是，晶界和薄膜界面的懸空鍵容易與環境中的水分和氧氣相互作用，導致PVSK的嚴重退化和器件壽命短。為了解決這個問題已經做了許多嘗試。最直接的解決辦法是利用疏水材料來抑制水分。此外，在高濕環境中，寬帶隙鉛氧鹽有利于保護PVSK材料。除了防潮，光引起的不穩定性也可以通過插入離子液體來防止。雖然已經報道了許多提高穩定性的方法，但大多數都集中在防止水分侵蝕上。然而，氧氣也是PVSK降解的一個關鍵因素。

【成果簡介】

近日，蘇州大學廖良生教授和王照奎教授團隊，提出了利用番茄紅素（LP）通過表面改性來提高PSCs的水分穩定性和氧穩定性。LP是一種食品添加劑，可以防止或延緩食品降解。它可從番茄皮中提取，通常作為抗衰老劑加入化妝品或保健產品中。此外，許多癌癥治療和抗衰老的研究都利用了這種材料，并報道了其抗氧化和疏水性能。在三重陽離子PVSK的基礎上，將LP作為PVSK的表面修飾層，室外效率（AM 1.5G）超過21%，室內效率（1000 lux）超過40%。暴露在濕氧中后，經過LP改性的PVSK薄膜保持了相位不變，而純PVSK薄膜則發生了分解。此外，LP改性的器件在空氣和氧氣環境中存儲后，其保護效果比參考文獻更好。在潮濕的氧氣環境中，效率保持在原來的90%左右。這種綠色抗氧化劑可能為增強PSCs的穩定性鋪平道路，并啟發研究者將食品添加劑應用于不同方面。該成果以題為“Lycopene‐Based Bionic Membrane for Stable Perovskite Photovoltaics”發表在了Adv. Funct. Mater.上。論文的第一作者為碩士生董翀。

【圖文導讀】

圖1?PVSK薄膜的光學表征

a）插入番茄LP薄膜的PVSK光伏器件結構的示意圖。

b）從番茄皮提取的番茄LP的分子結構。

c）有/沒有LP薄膜的PVSK薄膜的穩態PL光譜。

d）有/沒有LP改性層器件的tDOS估計。

e）未改性和LP改性PVSK膜的FTIR光譜。

圖2?PVSK薄膜的形貌表征

a）純的和LP改性PVSK薄膜的XRD圖案。

b）純的和LP改性PVSK薄膜晶粒尺寸的統計直方圖分布。

c）有無LP保護的PVSK薄膜的示意圖比較。

d）純的和e）LP改性的PVSK薄膜的SEM圖像。

f）純的和g）LP改性的PVSK薄膜在純氧（濕度約28％）中存儲兩個月后的SEM圖像。

圖3?PVSK薄膜的穩定性

a）純的和LP改性PVSK薄膜在純氧（約28％濕度）中存儲1000?h后的XRD圖。

b）確定水蒸氣和OTRs的過程示意圖。

c）純LP和LP/Spiro-OMeTAD薄膜的WVTR和OTRs的示意圖。

d，e）分別為LP和Spiro-OMeTAD的UV-vis光譜。黑線代表不同濃度的溶液，紅色（藍色）線代表自轉涂布膜。

f）LP（紅色）和Spiro-OMeTAD（藍色）的吸光度與濃度之間的擬合關系。

圖4 PSCs的光電性能

a）有/沒有LP層PSCs的J–V曲線。

b）有/沒有LP層的器件在正向和反向掃描方向上的J‐V曲線。

c）在1000 lux照度下，有/沒有LP層器件的室內J–V曲線。

d）OCVD曲線，e）控制和改進PSC在最大功率點的穩態光電流和輸出效率。

f）控制和改進器件效率的統計分布。

圖5 PSCs的穩定性

a，b）在純氧環境（約28％的濕度）中存儲1000 h后的相對a）PCE和b）J_sc。

c，d）在純氧環境（約40％的濕度）中存儲1000 h后的相對c）PCE和d）J_sc。

圖6 LP保護的原理圖

沒有LP層，水分子和氧分子可以通過缺陷和陷阱滲透PVSK層。經LP改性后，LP中的碳與PVSK中的鹵化物之間的相互作用鈍化了PVSK中的一些缺陷，從而減少離子遷移，提高吸收層的固有穩定性。同時，致密的LP層可以通過疏水官能團抑制與PVSK層接觸的氣氛，從而避免不良的分解。

【小結】

綜上所述，團隊提出并應用植物抗氧化劑番茄LP作為PVSK薄膜的表面改性層,該改性層通過碳-鹵素鍵與活性層表面相互作用，減少了抑制離子遷移的淺層陷阱，提高了內在穩定性。此外，它還調控了PVSK薄膜的結晶度，使戶外器件效率（AM 1.5G）提高了21%以上。在室內（1000 lux）照明下，它的效率也達到了40.24%。LP層有效地保護了PVSK薄膜不受環境氧氣和濕氣的影響，使器件在暴露于濕氧中約1000小時后仍能保持其原有PCE值的90%。LP作為一種很有前途的植物抗氧化劑，可以提高光伏器件的穩定性。

文獻鏈接：Lycopene‐Based Bionic Membrane for Stable Perovskite Photovoltaics（Adv. Funct. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adfm.202011242）

【研究團隊簡介】

高性能鈣鈦礦太陽能電池是蘇州大學廖良生教授、王照奎教授團隊的研究方向之一。近年來，該團隊基于以往從事有機光電器件和材料研究的經驗，圍繞鈣鈦礦材料、結晶化學、光伏器件與物理，針對鈣鈦礦“結晶動力學-缺陷機制與鈍化策略-室內光伏應用”相關聯的關鍵科學問題，在理論和實踐上系統研究了鈣鈦礦材料晶化動力學過程以及缺陷鈍化的關鍵機制，探索了鈣鈦礦光伏器件的界面新結構及其在室內場景下的應用，在鈣鈦礦薄膜的結晶調控、缺陷鈍化以及高性能鈣鈦礦室內光伏器件的制備方面取得了一系列創新性研究成果，推動和引領了國內外該領域的發展。

（1）在鈣鈦礦缺陷鈍化方面，針對鈣鈦礦表面缺陷、晶界缺陷和下界面缺陷，自上而下發展了全方位的鈍化新策略，特別是與作者揭示了分子構型對鈣鈦礦表面缺陷鈍化的調控機制，為表面鈍化分子構型設計指引了方向，對于深入認識鈣鈦礦材料本質及制備高性能室內光伏器件提供了非常重要的技術途徑。相關工作發表在Science?(2019, 366, 1509)、Joule?(2019, 3, 1464)、Adv. Mater.?(2018, 30,1800258; 2020, 32,2001479; 2020, 32, 2003422)、J. Am. Chem. Soc.（2019，141，13948；2021，143，2593）、Nano Lett.?(2019, 19, 2066; 2019, 19, 5176)、Appl. Phys. Lett.?(2019, 115, 183503)等期刊上，獲授權中國發明專利3項（ZL201510429468.7、ZL201711172666.5、ZL201811568228.5）。

（2）在鈣鈦礦結晶調控方面，發展了外場調控等鈣鈦礦結晶動力學過程的新策略，構建了鈣鈦礦“界面誘導晶化”的物理模型，開啟了多方位調控鈣鈦礦結晶過程的先河。相關工作發表在Adv. Mater.?(2016, 28, 6695; 2019, 31, 1902222; 2019, 31, 1901519)、Adv. Energy Mater.?(2016, 6, 1601156; 2018, 8, 1701688; 2020, 10, 1902653)、Adv. Funk. Mater.?(2015, 25, 6671; 2018, 28, 1705825)、ACS Nano?(2016, 10, 5479)、Appl. Phys. Lett. (2016, 108, 053301)等期刊上，獲授權中國發明專利5項（ZL201510531478.1、ZL201510425542.8、ZL201511002181.2、ZL201711172666.5、ZL201711079624.7）。

（3）在高性能室內光伏器件制備方面，在國內率先開展了鈣鈦礦室內光伏器件的研究，制備出了目前國際上效率最高（40％，@1000 lux）的室內光伏器件，開辟了環保無毒的錫基鈣鈦礦室內光伏器件的引領性工作，對于進一步發展面向新型廉價的低照度光伏技術和產業化具有重要的引領意義。相關工作發表在在Sci. Bulletin?(2021, 66, 347)、Adv. Energy Mater.?(2018, 8, 1801509; 2020, 10,?2000641; 2020, 10,?1902584)、Adv. Funct. Mater.?(2021, 30,?2011242)、ACS Appl. Mater. Interfaces（2020，12，536）、Appl. Phys. Lett. (2021, 118, 023501)、《物理學進展》等期刊上。

本文由木文韜翻譯編輯。

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