我院本科生何子杰在Small期刊以第一作者发表高效钙钛矿太阳能电池方面研究论文

2024年6月12日，WILEY出版社旗下的国际纳米材料领域知名期刊《Small》在线刊登了我院层状材料与器件团队陈聪教授等人在钙钛矿光伏电池方面取得的研究成果——Managing Pb-Related Imperfections via Rationally Designed Aniline Derivative with Bilateral Cyano and Acetyl Groups as Lewis Base for High-Efficiency Perovskite Solar Cells Exceeding 24%（通过合理设计苯胺衍生物钝化剂来管理铅缺陷实现超过24%的钙钛矿太阳能电池）。本研究成果的第一作者为我院2021级本科生何子杰同学。我校为该论文的唯一完成单位。

图1 论文首页标题和作者信息截图

研究背景

钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）超过26%，是迄今为止效率进展最为迅速的新一代光伏技术。尽管如此，其光吸收层——多晶钙钛矿通常都是通过溶液法合成的，其快速结晶和高温退火过程不可避免会在晶面或晶界形成高浓度的陷阱缺陷。这些缺陷主要是与铅相关，包括未配位的Pb2+、Pb-I反位、Pb2+空位、卤素空位缺陷等。这些缺陷容易受到环境中水和氧的侵蚀，导致钙钛矿晶体和器件的不可逆载流子非辐射复合及器件性能降解。因此，与离子晶体钙钛矿中缺陷相关的效率和稳定性问题已经成为阻碍钙钛矿太阳能电池的应用和发展的重要瓶颈难题。

成果简介

鉴于此，何子杰等人针对钙钛矿晶体中存在的高密度缺陷态及其对器件性能负面影响的关键问题开展深入的研究。在本工作中，通过系统的实验对比和筛选，何子杰等人开发了一种基于路易斯碱（Lewis base）分子的高效钙钛矿缺陷钝化策略，具体是合理设计了一种苯胺衍生物N-(4-氰苯基)乙酰胺(N-(4-cyanophenyl)acetamide, CAL)并将其用于处理钙钛矿晶体薄膜实现对缺陷的有效钝化。该钝化剂分子同时能够实现对钙钛矿结晶和器件异质界面表面电势进行优化和调控。最终，研究表明基于CAL分子修饰的PSCs能够实现24.35%的最高PCE，同时具有超过1200小时的最大功率点跟踪(MPPT)稳定性。理论计算和实验验证表明，CAL分子中的氰基和乙酰基双侧功能位点具有低的静电势能，能够与多种Pb2+相关的缺陷进行化学接触进而实现高效钝化。本工作提出的基于CAL分子钝化策略对未来实现高效、高稳定的钙钛矿光伏组件及其促进其商业化进程具有重要意义。

图2 （a）理论计算CAL分子中官能团与钙钛矿中多种缺陷的作用机制;（b）基于真空闪蒸技术在空气中制备的钙钛矿电池器件；（c）器件的整体结构示意图；（d）器件的光伏特性J-V曲线数据。

【文章信息】

第一作者：何子杰

通讯作者：陈聪

单位：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室。

【文章链接】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202404334

图文：何子杰

审核：夏兴川、张雪莹