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導言
在當今全球能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的大背景下，太陽能作為一種清潔且取之不盡的能源，其高效轉(zhuǎn)化與利用技術一直是科研領域的熱點。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）自2009年首*被報道以來，憑借其卓*的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、可調(diào)帶隙、高色散性、適合大面積生產(chǎn)的溶液加工性以及成本效益等顯著優(yōu)勢，迅速成為光伏領域的研究前沿。然而，要進一步推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進程，仍需解決一系列關鍵科學問題，其中制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜是一個至關重要的環(huán)節(jié)。
在過去的研究中，盡管科學家們已經(jīng)通過多種方法如成分工程、界面工程、后處理等手段取得了一定的進展，但在制備同時滿足上述理想特性的鈣鈦礦薄膜方面，依然存在諸多挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的制備方法往往需要較高的退火溫度來促進晶體生長，這可能導致鈣鈦礦材料的部分分解或電荷傳輸層的形變，進而引入結(jié)構(gòu)缺陷。又如，在混合陽離子體系中，由于不同陽離子的結(jié)晶速率不一致，容易導致陽離子分布不均勻，這不僅會影響鈣鈦礦薄膜的光電性能，還可能在鈣鈦礦與電荷傳輸層的界面處積累特定陽離子，從而阻礙電荷收集，降低器件效率。
鑒于此，開發(fā)新型的制備策略和添加劑，以精細調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程、優(yōu)化其微觀結(jié)構(gòu)和光電性能，成為了當前研究的焦點之一。本篇文章介紹的研究成果，正是回應了這一挑戰(zhàn)，通過引入氰基乙烯基磷酸酸（CPA）分子添加劑，為制備高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池提供了一條創(chuàng)新且高效的路徑。
分享一篇來自華東理工大學吳永真團隊的新研究成果，本文以“Cyanovinyl Phosphonic Acid Based Molecular Additives for Highly Efficient and Stable Formamidinium-Cesium Lead Iodide Perovskite Solar Cells"為題發(fā)表于《Small》期刊。希望對您的科學研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。
正文
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其獨*的光電特性在可再生能源領域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，目前制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究中發(fā)現(xiàn)，氰基乙烯基磷酸酸（CPA）分子添加劑能夠顯著改善鈣鈦礦薄膜的晶體質(zhì)量、載流子傳輸性能和環(huán)境穩(wěn)定性，為實現(xiàn)高效穩(wěn)定的PSCs提供了新思路。
鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在短短十幾年間取得了飛速發(fā)展，從最初的不到4%一路飆升至如今超過26%的實驗室效率，這一驚人的進步速度使其成為光伏領域的明星材料。然而，實驗室中的高效率只是一個方面，要實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模商業(yè)化應用，還需要解決器件穩(wěn)定性這一關鍵瓶頸。鈣鈦礦材料對環(huán)境因素如水分、氧氣、光照和溫度較為敏感，長期暴露會導致其晶體結(jié)構(gòu)退化、相變以及化學分解，進而使器件性能迅速衰減。此外，鈣鈦礦薄膜內(nèi)部的缺陷態(tài)以及界面處的非輻射復合中心也是制約器件效率和穩(wěn)定性的關鍵因素。
為了克服上述難題，研究者們提出了多種策略。其中，分子添加劑作為一種有效的手段，已被廣泛用于調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程、優(yōu)化薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光電性能。理想的分子添加劑應當能夠與鈣鈦礦前驅(qū)體物種發(fā)生強相互作用，在原子水平上調(diào)控晶體的生長和缺陷的形成。在這項研究中，研究團隊選擇了兩種含有磷酸酸基團的分子添加劑Ph-PA和Ph-CPA，它們不僅具有與鉛鹵化物（PbI2）、甲酰胺碘化物（FAI）和銫碘化物（CsI）等鈣鈦礦前驅(qū)體物種強相互作用的能力，而且其獨*的分子結(jié)構(gòu)使其能夠在鈣鈦礦薄膜中發(fā)揮多重功能。
Ph-CPA分子中的氰基（─C≡N）和磷酸酸基團（─PO3H）協(xié)同作用，不僅增強了與前驅(qū)體物種的配位能力，還通過氫鍵和靜電相互作用影響鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶動力學和熱力學。實驗結(jié)果顯示，Ph-CPA的加入顯著降低了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶溫度，從傳統(tǒng)的150°C降低至100°C，這對于減少高溫退火帶來的結(jié)構(gòu)缺陷和界面損傷具有重要意義。同時，Ph-CPA分子能夠在鈣鈦礦晶體表面形成有效的缺陷態(tài)鈍化層，減少非輻射復合中心，提高載流子遷移率和擴散長度。此外，Ph-CPA分子還能夠促進鈣鈦礦薄膜中陽離子的均勻分布，避免了因陽離子分層導致的內(nèi)建電場不均勻和電荷收集效率低下等問題。
結(jié)果與討論
分子添加劑對鈣鈦礦薄膜結(jié)晶行為的影響
研究團隊合成了兩種含有磷酸酸基團的分子添加劑（Ph-PA和Ph-CPA），并將其引入FA0.95Cs0.05PbI3鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中。通過原位光致發(fā)光（PL）光譜和同步輻射掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）技術對鈣鈦礦薄膜的形成過程進行監(jiān)測，結(jié)果表明，Ph-CPA分子添加劑能顯著降低鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶溫度，促進晶體生長和相轉(zhuǎn)變，使鈣鈦礦薄膜具有更均勻的離子分布和更少的缺陷。
圖1 FA0.95Cs0.05PbI3薄膜的形貌和結(jié)晶性。（a）對照組和（b）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的俯視掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（標尺為 1 微米）。（c）對照組和（d）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的掠入射廣角 X 射線散射（GIWAXS）圖樣。（e）對照組和（f）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的表面電勢分布（標尺為 500 納米）。CPD代表接觸電位差。
分子添加劑對鈣鈦礦薄膜形貌和光電性能的提升
掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）測試結(jié)果顯示，添加Ph-CPA的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒尺寸和更光滑的表面形貌。紫外光電子能譜（UPS）和開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測量表明，Ph-CPA處理后的鈣鈦礦薄膜具有更優(yōu)的電子性質(zhì)和接觸勢壘，有助于提高電子收集效率和減少界面電荷積累。
圖1 FA-Cs分布與光電特性：（a）有無摻入 Ph-CPA 的 FA0.95Cs0.05PbI? 鈣鈦礦薄膜中陽離子的分布情況，樣品結(jié)構(gòu)為玻璃 / ITO/FA0.95Cs0.05PbI?。（b）對照組和（c）添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜從空氣側(cè)和玻璃側(cè)測得的光致發(fā)光（PL）光譜。（d）共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）成像圖（標尺為 50 微米）。（e）時間分辨光致發(fā)光（TRPL）衰減光譜以及（f）對照組和添加 Ph-CPA 的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）。
分子添加劑對太陽能電池性能的優(yōu)化
基于Ph-CPA添加劑的鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了顯著提升的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。優(yōu)化后的器件PCE達到26.25%，同時展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和較高的填充因子（FF）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)Ph-CPA添加劑的引入顯著延長了器件的使用壽命（T90）。
圖2 基于FA0.95Cs0.05PbI?的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的光伏性能。（a）有無添加Ph-CPA的16個獨立器件（孔徑面積：0.08平方厘米）的器件性能參數(shù)值（VOC、JSC、FF和PCE）。（b）有無添加Ph-CPA的最佳性能器件在反向掃描時的J–V曲線。（c）在模擬AM1.5陽光下，有無添加Ph-CPA的器件在接近最大功率點（MPP）偏壓下的穩(wěn)定功率輸出。（d）添加Ph-CPA的最佳性能器件的EQE光譜和積分JSC。（e）添加Ph-CPA的最佳性能1.01平方厘米器件在不同掃描方向上的J–V曲線。
本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)。DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)結(jié)合了北京卓立漢光儀器有限公司給多家科研單位定制的光譜響應系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗，采用國家標準計量方法進行全自動測試，是光電器件、光電轉(zhuǎn)換材料的光譜響應性能研究的*備工具。
結(jié)論
本研究通過引入Ph-CPA分子添加劑，成功制備了高效穩(wěn)定的FA0.95Cs0.05PbI3鈣鈦礦太陽能電池。該添加劑不僅改善了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、載流子傳輸效率和環(huán)境穩(wěn)定性，還顯著提升了器件的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。這一成果為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)和技術支持。
通訊作者及其團隊介紹
吳永真，華東理工大學教授，研究方向為有機光電材料與器件、分子工程等。其領導的團隊在鈣鈦礦太陽能電池領域取得了多項重要成果，為推動鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和穩(wěn)定性增強做出了重要貢獻。
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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測器光譜響應度標定系統(tǒng)。如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。
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