西工大李炫华课题组Energy Environ. Sci.：星形聚合物多齿交联策略提高倒置钙钛矿太阳能电池优异的操作稳定性

1. 研究背景

金属卤化物钙钛矿由于优异的光电性能而得到快速发展绝广泛关注。目前倒置钙钛矿太阳能(PEC)的转化效率约为23%，与正制结构器件PSC的效率还有一定的差距。短期和低效率的运行稳定性是PSCs商业化的主要障碍。虽然许多改性材料已经被证明可以有效地提高器件的性能，但它们并不能满足高效运行的稳定性。另外，钙钛矿薄膜在溶解过程中会产生许多晶体缺陷(包括阴离子空位和配位不充分的铅阳离子)，这些缺陷主要形成在钙钛矿层的表面/晶界(GBs)上，损害了PSC的光电性能和运行稳定性。迄今为止，反溶剂法已被证明是制备高质量钙钛矿薄膜的一种实用而简单的方法，可以缓解表面/GBs问题。为了扩大抗溶剂处理的范围，各种添加剂都因路易斯酸碱反应而起作用。然而，标准化操作稳定性表明，这些聚合物不能在高效率下实现高效的操作稳定性。

2. 成果简介

基于此，西工大纳米能源中心李炫华课题组设计了一种三维星形聚合物多齿交联聚策略，用半硅氧烷-聚(甲基丙烯酸甲酯)聚合物作为特征性的抗溶剂添加剂来改性钙钛矿膜。POSP材料以对称的硅氧烷三聚八聚笼型框架为核心，由甲基丙烯酸甲酯单体分子组成的长链八个分支包围。利用聚合物中的多支链和足够的化学作用位点直接与钙钛矿材料缺陷位点在多个方向上进行螯合，从而调节钙钛矿的形貌，钝化表面缺陷/GBs，抑制非辐射复合，提高器件稳定性。改性后的 PSC 的效率提高到了 22.74%；同时在45℃下进行1000小时的最大功率点跟踪下，封装的改进器件显示出显著的运行稳定性，初始效率为93%(~22.00%)。

3. 图文导读

图1  POSP聚合物和钙钛矿之间的钝化机理：(a) POSP聚合物的化学结构。(b)POSP聚合物与钙钛矿材料未配位Pb的多向钝化效果示意图。(c) 用密度泛函理论计算POSP聚合物最小单元的静电势。(d) POSP聚合物、CsFAMA和POSP-CsFAMA的红外光谱。(e) 有无POSP的钙钛矿薄膜Pb 4f的XPS光谱。(f) POSP修饰钙钛矿薄膜/NiO_x/ITO器件的ToF-SIMS。

图2 钙钛矿薄膜的形貌和载流子行为。(a-b)含POSP聚合物和不含POSP聚合物的钙钛矿薄膜的俯视SEM图像。(c-d)顶视SEM图对应的粒度分布直方图(D为平均粒度)。(e-f)含POSP聚合物和不含POSP聚合物的器件(Au/钙钛矿/ITO)的横截面SEM图像。(j)钙钛矿薄膜的XRD谱图(退火后). (h)钙钛矿薄膜的紫外吸收光谱。(i)钙钛矿膜(退火前)的XRD谱图。研究了(j)控制和(k) POSP改性膜在纺丝过程中的原位吸收光谱。(l)含POSP聚合物和不含POSP聚合物的钙钛矿薄膜在600 nm处的紫外-可见吸光度在空气中的变化。(m) POSP改性钙钛矿颗粒的TEM图像。(n)含和不含POSP聚合物的钙钛矿薄膜的稳态PL和(o)时间分辨PL谱。

图3 器件性能。(a) 倒置平面异质结POSP修饰PSC。(b) 标件和 (c) POSP修饰PSC的最优J-V特性。(d) 有无POSP聚合物的PSC的EQE光谱。(e) 有无POSP聚合物的PSC的稳定光电流和SPO。(f) 40个器件（20个标件和20个POSP优化件）的PCE分布统计数据。

图4 光电特性。(a) 标件和POSP修饰的钙钛矿薄膜的UPS数据。(b) 钙钛矿薄膜的能级结构。(c) PSCs器件中V_OC与J_SC的对数关系图。(d) 器件的S-Q极限的FF包括电荷传输损耗（紫色区域）和非辐射损耗（粉色区域）。粉红色和紫色颗粒分别代表测量的FF和最大的FF。(e) 有无POSP聚合物的PSC的Mott-Schottky图。(f) 缺陷态密度。

图5 稳定性测试。(a) 在45°C、空气中对封装的有或无PMMA、POSP聚合物修饰的PSC进行1个强度太阳光照射和MPP追踪。(b-c) 在N₂中1个太阳强度照射500小时前（实线）后（虚线）情况下，有无POSP聚合物的钙钛矿/NiOx/ITO器件的ToF-SIMS深度分布。PbI⁻ 和PbI₂⁻ 用于确认CsFAMA钙钛矿，NiO₂⁻ 对于NiOx和Si⁻ 对于POSP聚合物。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D1EE01800K

本文由虚谷纳物供稿。