西工大李炫華課題組Energy Environ. Sci.：星形聚合物多齒交聯策略提高倒置鈣鈦礦太陽能電池優異的操作穩定性

1. 研究背景

金屬鹵化物鈣鈦礦由于優異的光電性能而得到快速發展絕廣泛關注。目前倒置鈣鈦礦太陽能(PEC)的轉化效率約為23%，與正制結構器件PSC的效率還有一定的差距。短期和低效率的運行穩定性是PSCs商業化的主要障礙。雖然許多改性材料已經被證明可以有效地提高器件的性能，但它們并不能滿足高效運行的穩定性。另外，鈣鈦礦薄膜在溶解過程中會產生許多晶體缺陷(包括陰離子空位和配位不充分的鉛陽離子)，這些缺陷主要形成在鈣鈦礦層的表面/晶界(GBs)上，損害了PSC的光電性能和運行穩定性。迄今為止，反溶劑法已被證明是制備高質量鈣鈦礦薄膜的一種實用而簡單的方法，可以緩解表面/GBs問題。為了擴大抗溶劑處理的范圍，各種添加劑都因路易斯酸堿反應而起作用。然而，標準化操作穩定性表明，這些聚合物不能在高效率下實現高效的操作穩定性。

2. 成果簡介

基于此，西工大納米能源中心李炫華課題組設計了一種三維星形聚合物多齒交聯聚策略，用半硅氧烷-聚(甲基丙烯酸甲酯)聚合物作為特征性的抗溶劑添加劑來改性鈣鈦礦膜。POSP材料以對稱的硅氧烷三聚八聚籠型框架為核心，由甲基丙烯酸甲酯單體分子組成的長鏈八個分支包圍。利用聚合物中的多支鏈和足夠的化學作用位點直接與鈣鈦礦材料缺陷位點在多個方向上進行螯合，從而調節鈣鈦礦的形貌，鈍化表面缺陷/GBs，抑制非輻射復合，提高器件穩定性。改性后的 PSC 的效率提高到了 22.74%；同時在45℃下進行1000小時的最大功率點跟蹤下，封裝的改進器件顯示出顯著的運行穩定性，初始效率為93%(~22.00%)。

3. 圖文導讀

圖1 ?POSP聚合物和鈣鈦礦之間的鈍化機理：(a)?POSP聚合物的化學結構。(b)POSP聚合物與鈣鈦礦材料未配位Pb的多向鈍化效果示意圖。(c)?用密度泛函理論計算POSP聚合物最小單元的靜電勢。(d)?POSP聚合物、CsFAMA和POSP-CsFAMA的紅外光譜。(e)?有無POSP的鈣鈦礦薄膜Pb 4f的XPS光譜。(f)?POSP修飾鈣鈦礦薄膜/NiO_x/ITO器件的ToF-SIMS。

圖2 鈣鈦礦薄膜的形貌和載流子行為。(a-b)含POSP聚合物和不含POSP聚合物的鈣鈦礦薄膜的俯視SEM圖像。(c-d)頂視SEM圖對應的粒度分布直方圖(D為平均粒度)。(e-f)含POSP聚合物和不含POSP聚合物的器件(Au/鈣鈦礦/ITO)的橫截面SEM圖像。(j)鈣鈦礦薄膜的XRD譜圖(退火后). (h)鈣鈦礦薄膜的紫外吸收光譜。(i)鈣鈦礦膜(退火前)的XRD譜圖。研究了(j)控制和(k) POSP改性膜在紡絲過程中的原位吸收光譜。(l)含POSP聚合物和不含POSP聚合物的鈣鈦礦薄膜在600 nm處的紫外-可見吸光度在空氣中的變化。(m) POSP改性鈣鈦礦顆粒的TEM圖像。(n)含和不含POSP聚合物的鈣鈦礦薄膜的穩態PL和(o)時間分辨PL譜。

圖3 器件性能。(a)?倒置平面異質結POSP修飾PSC。(b)?標件和?(c)?POSP修飾PSC的最優J-V特性。(d)?有無POSP聚合物的PSC的EQE光譜。(e)?有無POSP聚合物的PSC的穩定光電流和SPO。(f)?40個器件（20個標件和20個POSP優化件）的PCE分布統計數據。

圖4 光電特性。(a)?標件和POSP修飾的鈣鈦礦薄膜的UPS數據。(b)?鈣鈦礦薄膜的能級結構。(c)?PSCs器件中V_OC與J_SC的對數關系圖。(d) 器件的S-Q極限的FF包括電荷傳輸損耗（紫色區域）和非輻射損耗（粉色區域）。粉紅色和紫色顆粒分別代表測量的FF和最大的FF。(e)?有無POSP聚合物的PSC的Mott-Schottky圖。(f)?缺陷態密度。

圖5 穩定性測試。(a)?在45°C、空氣中對封裝的有或無PMMA、POSP聚合物修飾的PSC進行1個強度太陽光照射和MPP追蹤。(b-c)?在N₂中1個太陽強度照射500小時前（實線）后（虛線）情況下，有無POSP聚合物的鈣鈦礦/NiOx/ITO器件的ToF-SIMS深度分布。PbI^??和PbI₂^??用于確認CsFAMA鈣鈦礦，NiO₂^??對于NiOx和Si^??對于POSP聚合物。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D1EE01800K

本文由虛谷納物供稿。