最新 Science：特定构型分子消除钙钛矿表面缺陷学术资讯

来源：研之成理

—— 前言 ——

近年来，钙钛矿太阳能电池产业开始崛起，因为单晶硅与多晶硅的太阳能电池在提炼过程中需要消耗大量的电力，制造成本较高，而钙钛矿太阳能具有与单晶硅接近的光电转换效率、但其制备工艺相对简单，成本也较为低廉，所以钙钛矿太阳能电池受到了全球学术界和产业界的广泛关注，发展迅速。

注：前沿部分摘自网络

—— 背景 ——

对于金属卤化物钙钛矿太阳能电池而言，限制其效率提升的最大因素是表面缺陷态导致的非辐射跃迁。结合钙钛矿离子晶体的特性，表面分子修饰是消除表面缺陷的有效方法。但目前对于分子修饰作用的机理，特别是分子构型的影响，缺乏深入、系统的研究和探索。在最新一期的 Science 中，来自 UCLA 和西湖大学的 Yang Yang 教授团队等刊文报道，他们系统研究了修饰分子（theophylline, caffeine,and theobromine）中 N-H 键、 C=O 键与钙钛矿表面的协同结合作用，及其对表面缺陷消除的影响。

▲ 共同第一作者：Rui Wang, Jingjing Xue；

共同通讯作者：Jingjing Xue；Zhao-Kui Wang；Ilhan Yavuz；Kendall N. Houk；Yang Yang

DOI：10.1126/science.aay9698

——本文亮点——

系统研究并阐明了修饰分子中 N-H 键与材料表面 I 原子的氢键作用，C=O 键与表面 Pb 的结合。以及两者之间的协同作用。

分子修饰后，光电器件的最高稳定能量转换效率达到 22.6 %。

——图文快解——

下图1 为通过 DFT 理论计算所构建的修饰分子与钙钛矿表面的作用方式。从图1B 中可见，Theophylline 分子中 N-H 键与 C=O 键的构型和距离最合适，刚好分别与相邻的 Pb、I 分子结合。其相互作用能 Eint 达到 -1.7 ev。另外两个分子与钙钛矿的相互作用能分别为 - 1.3 ev （Caffeine）和 -1.1 ev（Theobromine）。

▲ 图1 表面缺陷以及三种不同分子修饰的模拟

下图二A/B/C 分别为三种不同分子修饰前后，其红外谱图的对比图。Theophylline 修饰后，其 C=O 伸缩振动偏移值达到 30 cm^-1。同时荧光发射光谱表明，Theophylline 修饰后荧光增强。

▲ 图2 表面分子与钙钛矿表面的相关作用

下图三为高分辨 XPS，UPS 以及 AFM/KPFM 表征结果。研究表明Theophylline 修饰利于空穴的剥离。

▲ 图3 分子修饰前后材料结构表征

下图4 为分子修饰前后钙钛矿光伏薄膜的性能测试。Theophylline 修饰后，材料的 PCE 值从 20.36 % 增加至 22.61 %。

▲ 图4 电池性能测试

来源：rationalscience 研之成理

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMzE5MzQ1NQ==&mid=2649339136&idx=1&sn=c22f7e2e57ff39c9687ec25efe851a4b&chksm=8ece3800b9b9b116f844cf63e053c9cb925a5c0e72977a0e98c431779b8e664bdd2e886b31be&scene=27#wechat_redirect

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