2021年4月17日，河北工业大学材料科学与工程学院原子尺度团队的陈聪副教授联合国内相关课题组在国际能源领域高水平期刊Advanced Energy Materials《先进能源材料》上以“Trap state passivation by rational ligand molecule engineering toward efficient and stable perovskite solar cells exceeding 23% efficiency”为题发表重要研究成果，论文第一作者为我院的2018级硕士研究生朱立华。该工作得到重庆大学陈江照教授、吉林大学宋宏伟教授的合作支持。该研究工作针对目前高效钙钛矿光伏材料存在的表/界面深能级缺陷进行特异性调控，最终获得效率超过23%的高效与高稳定的钙钛矿太阳能电池。研究论文的第一单位为河北工业大学材料科学与工程学院/省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验。
有机-无机卤化铅钙钛矿材料因其具有高光吸收系数、高载流子迁移率、低激子结合能、长载流子扩散长度、可调带隙和低成本等优点，近年来受到科研人员的广泛关注。截止目前，基于有机-无机卤化铅钙钛矿材料的新型钙钛矿型太阳电池（PSCs）的认证光电转换效率已经超过25%，其效率已经超过商业化的多晶硅太阳电池效率（23.8%），且有望在短时间内超越单晶硅太阳能电池（26.7%）。然而，目前PSCs的本征/环境稳定性已经成为限制其未来商业化应用的重要瓶颈。众所周知，溶液法制备的多晶钙钛矿光活性层存在的高陷阱态密度是限制单节钙钛矿太阳电池效率进一步提升以及器件稳定性的主要原因之一。因此，通过提高钙钛矿光活性层的结晶质量来减低陷阱辅助的载流子的非辐射复合损耗是提高PSCs稳定性和PCE最为有效的策略之一。为了调整添加剂分子与钙钛矿之间的化学作用，在添加剂分子中加入适当的含N、O和/或S电子供体的官能团被认为是调控缺陷的是最为有效的策略之一。
在该工作中，研究者开发了一种有效的添加剂分子，马来酰亚胺基十一酸（11 Maleimidoundecanoic acids, 11MA），并将其加入到钙钛矿前驱体溶液中调控钙钛矿薄膜的结晶特性。该钝化分子具有包括羧基、酰胺和长疏水烷基链官能团在内的多个功能活性位点，能够有效调控钙钛矿的结晶生长过程并实现对钙钛矿表/界面缺陷的有效钝化。该钝化分子通过羧基和酰胺官能团锚定未配位的Pb2+，进而调控钙钛矿膜表/界面的卤化物空位缺陷，疏水的长烷基链能够同时改善钙钛矿薄膜的环境湿度稳定性。11MA分子与Pb2+的配位作用以及对卤化物空位缺陷的作用机理可以通过红外吸收光谱、X射线光电子谱、核磁共振氢谱和碳谱峰位所证实。研究者通过高分辨透射电镜进一步揭示了钙钛矿颗粒表面或相邻颗粒之间存在非晶钝化膜，充分证明11MA对钙钛矿薄膜的晶界处陷阱态密度的有效钝化作用。通过多组太阳电池的光伏特性测试分析，研究者获得最高效率为23.34％的钙钛矿太阳电池，且该器件具有显著降低的电压损耗和迟滞效应。研究者还记录了RH=35±5％条件下11MA改性后的PSCs器件的效率随时间的变化趋势，发现器件在3000小时后仍保持其约90%以上的初始性能，表明PSCs的环境湿度稳定性也得到了明显的改善。
研究者通过引入含有羧基、酰胺和长烷基链的配体分子11MA并将其用作调控钙钛矿光吸收层的结晶性以及表/界面处的陷阱态密度，进而有效提升PSCs的光电性能与稳定性的。该工作这对实现高效与高稳定的钙钛矿太阳电池及促进其商业化应用进程具有重要意义。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100529