高鹏课题发现D-π-A型卟啉辅助高效混合钙钛矿太阳电池缺陷钝化

来源：研之成理

▲第一作者：麦绮伦, 周勤；通讯作者： 高鹏

通讯单位：中国科学院海西研究院福州物质结构所厦门稀土材料研究所  

论文DOI：10.1002/adfm.202007762   

近年来，混合型钙钛矿型太阳能电池 (PSCs) 以其成本低、易于制造、光电转换效率高等优点备受关注。然而，溶液处理的钙钛矿薄膜通常表现出严重的结构紊乱，导致晶格和晶界表面的离子缺陷。本文研究了一系列D-π-A 卟啉化合物能够有效的钝化钙钛矿表面，增加VOC，FF以及降低回滞效应，提高光电转换效率大于22%，以及器件稳定性。本研究结果表明，D-π-A卟啉衍生物是一类很有前景的钝化材料能够改善钙钛矿薄膜的质量, 提高钙钛矿型太阳能电池的性能以及稳定性。

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研究D–π–A型卟啉衍生物包含氰基丙烯酸作为功能基, 钝化钙钛矿晶格表面和晶界的缺陷。改善钙钛矿薄膜缺陷提高VOC、FF和PCE。实现器件最佳性能效率为22.37%。

背景介绍

近年来，杂化钙钛矿电池（PSCs）因其优异的性能而受到广泛关注，其电池效率（PCE）已从2009年的3.8%急剧上升到2019年的25.2%。然而，溶液处理的钙钛矿薄膜经常表现出结构紊乱，进而导致晶格和晶界表面出现大量离子缺陷。缺陷的存在不仅会捕获光生载流子，从而限制载流子的扩散并缩短载流子的寿命，而且还会导致离子迁移和扩散，从而影响电池性能，包括稳定性、效率和回滞。因此, 如何有效的降低钙钛矿薄膜的表面缺陷，提高钙钛矿薄膜的质量和增加钙钛矿太阳能电池的稳定性仍旧是目前研究的热点。

本文亮点

为了能够有效地钝化钙钛矿表面缺陷，本文开发了一系列D-π-A卟啉钝化材料CS0、CS1和CS2； 以该系列钝化材料制备的电池，不仅增加了VOC和FF，降低了迟滞效应，而且实现了22.37%的最高电池效率；其中，D-π-A卟啉衍生物不仅改善了钙钛矿薄膜的质量，进而改善了PCE和稳定性，而且提高了器件的电荷提取效率；此外，由于卟啉上的长烷基链增加了卟啉修饰膜的疏水性，进而提高了卟啉修饰器件的长期稳定性，即使未经封装在30%相对湿度的室温环境下老化50天，其效率仍旧保持参比组效率的90%以上。

图文解析

图2a XPS 显示了经过卟啉钝化处理，钙钛矿表面的Pb0能级峰（136.94 eV）消失了，这表明由于不饱和铅引起的碘空位被填补。图2b-e所示利用扫描电子显微镜（SEM）进行研究钙钛矿薄膜的表面变化。由图2b中可见，未经处理的PVSK薄膜表面上出现了针孔/空隙。而经卟啉处理后，PVSK薄膜不仅厚度增加，结构紧凑，而且针孔明显减少。图2g则阐明了在PVSK薄膜中添加D-π-A卟啉分子降低碘空位缺陷的潜在机理。图2h可以由Scherrer方程式计算出钙钛矿薄膜的平均晶粒尺寸为53.06、60.7和65.79 nm分别为CS0、CS1和CS2。与未经钝化的PVSK薄膜相比，经过卟啉修饰过的薄膜更加均匀、光滑且具有良好的晶粒/晶体取向。

图3a通过稳态荧光光谱可以发现在780nm处的发射波长出现蓝移现象,暗示了卟啉分子的钝化能力。而图3b从时间分辨光致发光光谱也证明经过卟啉处理后的样品寿命延长，表明卟啉分子能有效地钝化PVSK薄膜的缺陷，从而抑制载流子的复合，这与开路电压(VOC）和填充系数(FF)增加的结果是一致的。图3c为卟啉分子(CS0、CS1和CS2）钝化前后的PSCs电流密度-电压（J–V）。图3d为EQE光谱与积分电流密度。图3e是最大功率点下的稳态PCE测量。图3f则为经卟啉分子钝化后钙钛矿太阳能电池截面图。

图4a为暗态下的J–V测量, 其中较低的J0暗示了电荷复合减少和VOC增加，这也表明卟啉分子能够有效钝化缺陷。图4b是在偏压0.4V下PSCs的Nyquist图。图4c为归一化的瞬态光电压衰减曲线。图4d则是在相对湿度为30%的室温环境下，器件在50天内老化的长期稳定性。

总结与展望

综上所述，我们已经成功地开发并合成了一系列D-π-A卟啉分子CS0-CS2, 利用其氰基丙烯酸官能团，能够有效钝化钙钛矿晶格和晶界缺陷。因此，基于卟啉钝化剂而制备的电池器件，不仅提高了器件的VOC和FF，实现22.37%的最佳效率，而且通过在卟啉meso-位置接上长烷基链的二苯胺等输水基团，抑制空气中的湿气，从而提高了电池的耐用性。该材料的成功研发和应用为提高钙钛矿电池的性能提供了一种有效的钝化方法。

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