苏州大学廖良生&王照奎团队Adv. Funct. Mater.：用于稳定钙钛矿光伏的番茄红素基仿生膜

【引言】

与传统的硅基和复合太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率在十年内从3.8％上升到25.5％。尽管PSCs的效率与传统太阳能电池相当，但其稳定性差是未来商业化不可忽视的问题。钙钛矿（PVSK）材料具有良好的光吸收性、双极性电荷传输、高缺陷耐受性和易加工性能等优点。然而，PVSK薄膜中的缺陷和陷阱通过引起非辐射复合和离子迁移限制了器件的性能。最重要的是，晶界和薄膜界面的悬空键容易与环境中的水分和氧气相互作用，导致PVSK的严重退化和器件寿命短。为了解决这个问题已经做了许多尝试。最直接的解决办法是利用疏水材料来抑制水分。此外，在高湿环境中，宽带隙铅氧盐有利于保护PVSK材料。除了防潮，光引起的不稳定性也可以通过插入离子液体来防止。虽然已经报道了许多提高稳定性的方法，但大多数都集中在防止水分侵蚀上。然而，氧气也是PVSK降解的一个关键因素。

【成果简介】

近日，苏州大学廖良生教授和王照奎教授团队，提出了利用番茄红素（LP）通过表面改性来提高PSCs的水分稳定性和氧稳定性。LP是一种食品添加剂，可以防止或延缓食品降解。它可从番茄皮中提取，通常作为抗衰老剂加入化妆品或保健产品中。此外，许多癌症治疗和抗衰老的研究都利用了这种材料，并报道了其抗氧化和疏水性能。在三重阳离子PVSK的基础上，将LP作为PVSK的表面修饰层，室外效率（AM 1.5G）超过21%，室内效率（1000 lux）超过40%。暴露在湿氧中后，经过LP改性的PVSK薄膜保持了相位不变，而纯PVSK薄膜则发生了分解。此外，LP改性的器件在空气和氧气环境中存储后，其保护效果比参考文献更好。在潮湿的氧气环境中，效率保持在原来的90%左右。这种绿色抗氧化剂可能为增强PSCs的稳定性铺平道路，并启发研究者将食品添加剂应用于不同方面。该成果以题为“Lycopene‐Based Bionic Membrane for Stable Perovskite Photovoltaics”发表在了Adv. Funct. Mater.上。论文的第一作者为硕士生董翀。

【图文导读】

图1 PVSK薄膜的光学表征

a）插入番茄LP薄膜的PVSK光伏器件结构的示意图。

b）从番茄皮提取的番茄LP的分子结构。

c）有/没有LP薄膜的PVSK薄膜的稳态PL光谱。

d）有/没有LP改性层器件的tDOS估计。

e）未改性和LP改性PVSK膜的FTIR光谱。

图2 PVSK薄膜的形貌表征

a）纯的和LP改性PVSK薄膜的XRD图案。

b）纯的和LP改性PVSK薄膜晶粒尺寸的统计直方图分布。

c）有无LP保护的PVSK薄膜的示意图比较。

d）纯的和e）LP改性的PVSK薄膜的SEM图像。

f）纯的和g）LP改性的PVSK薄膜在纯氧（湿度约28％）中存储两个月后的SEM图像。

图3 PVSK薄膜的稳定性

a）纯的和LP改性PVSK薄膜在纯氧（约28％湿度）中存储1000 h后的XRD图。

b）确定水蒸气和OTRs的过程示意图。

c）纯LP和LP/Spiro-OMeTAD薄膜的WVTR和OTRs的示意图。

d，e）分别为LP和Spiro-OMeTAD的UV-vis光谱。黑线代表不同浓度的溶液，红色（蓝色）线代表自转涂布膜。

f）LP（红色）和Spiro-OMeTAD（蓝色）的吸光度与浓度之间的拟合关系。

图4 PSCs的光电性能

a）有/没有LP层PSCs的J–V曲线。

b）有/没有LP层的器件在正向和反向扫描方向上的J‐V曲线。

c）在1000 lux照度下，有/没有LP层器件的室内J–V曲线。

d）OCVD曲线，e）控制和改进PSC在最大功率点的稳态光电流和输出效率。

f）控制和改进器件效率的统计分布。

图5 PSCs的稳定性

a，b）在纯氧环境（约28％的湿度）中存储1000 h后的相对a）PCE和b）J_sc。

c，d）在纯氧环境（约40％的湿度）中存储1000 h后的相对c）PCE和d）J_sc。

图6 LP保护的原理图

没有LP层，水分子和氧分子可以通过缺陷和陷阱渗透PVSK层。经LP改性后，LP中的碳与PVSK中的卤化物之间的相互作用钝化了PVSK中的一些缺陷，从而减少离子迁移，提高吸收层的固有稳定性。同时，致密的LP层可以通过疏水官能团抑制与PVSK层接触的气氛，从而避免不良的分解。

【小结】

综上所述，团队提出并应用植物抗氧化剂番茄LP作为PVSK薄膜的表面改性层,该改性层通过碳-卤素键与活性层表面相互作用，减少了抑制离子迁移的浅层陷阱，提高了内在稳定性。此外，它还调控了PVSK薄膜的结晶度，使户外器件效率（AM 1.5G）提高了21%以上。在室内（1000 lux）照明下，它的效率也达到了40.24%。LP层有效地保护了PVSK薄膜不受环境氧气和湿气的影响，使器件在暴露于湿氧中约1000小时后仍能保持其原有PCE值的90%。LP作为一种很有前途的植物抗氧化剂，可以提高光伏器件的稳定性。

文献链接：Lycopene‐Based Bionic Membrane for Stable Perovskite Photovoltaics（Adv. Funct. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adfm.202011242）

【研究团队简介】

高性能钙钛矿太阳能电池是苏州大学廖良生教授、王照奎教授团队的研究方向之一。近年来，该团队基于以往从事有机光电器件和材料研究的经验，围绕钙钛矿材料、结晶化学、光伏器件与物理，针对钙钛矿“结晶动力学-缺陷机制与钝化策略-室内光伏应用”相关联的关键科学问题，在理论和实践上系统研究了钙钛矿材料晶化动力学过程以及缺陷钝化的关键机制，探索了钙钛矿光伏器件的界面新结构及其在室内场景下的应用，在钙钛矿薄膜的结晶调控、缺陷钝化以及高性能钙钛矿室内光伏器件的制备方面取得了一系列创新性研究成果，推动和引领了国内外该领域的发展。

（1）在钙钛矿缺陷钝化方面，针对钙钛矿表面缺陷、晶界缺陷和下界面缺陷，自上而下发展了全方位的钝化新策略，特别是与作者揭示了分子构型对钙钛矿表面缺陷钝化的调控机制，为表面钝化分子构型设计指引了方向，对于深入认识钙钛矿材料本质及制备高性能室内光伏器件提供了非常重要的技术途径。相关工作发表在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，获授权中国发明专利3项（ZL201510429468.7、ZL201711172666.5、ZL201811568228.5）。

（2）在钙钛矿结晶调控方面，发展了外场调控等钙钛矿结晶动力学过程的新策略，构建了钙钛矿“界面诱导晶化”的物理模型，开启了多方位调控钙钛矿结晶过程的先河。相关工作发表在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，获授权中国发明专利5项（ZL201510531478.1、ZL201510425542.8、ZL201511002181.2、ZL201711172666.5、ZL201711079624.7）。

（3）在高性能室内光伏器件制备方面，在国内率先开展了钙钛矿室内光伏器件的研究，制备出了目前国际上效率最高（40％，@1000 lux）的室内光伏器件，开辟了环保无毒的锡基钙钛矿室内光伏器件的引领性工作，对于进一步发展面向新型廉价的低照度光伏技术和产业化具有重要的引领意义。相关工作发表在在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)、《物理学进展》等期刊上。

本文由木文韬翻译编辑。

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