新加坡国立大学侯毅Nat.Energy.：太阳能电池效率和稳定性提升的新途径

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新加坡国立大学侯毅Nat.Energy.：太阳能电池效率和稳定性提升的新途径

一、【科学背景】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）取得了十足的进步。然而过往研究发现，钙钛矿太阳能电池电荷传输层（CTLs）与钙钛矿吸收剂之间的异质界面上容易发生有害的化学反应，导致非辐射重组和初始降解位点的形成，影响了钙钛矿太阳能电池长期的化学稳定性与效率。

幸运的是，钙钛矿-有机界面可以很容易地分离，从而可以对PSCs界面进行深入研究，而钙钛矿-金属-氧化物（Pero-MeOx）异质界面的特定相互作用，特别是在不同的老化条件下，仍然是正在进行的研究和讨论的主题。然而，对Pero-MeOx界面上机械键合和化学降解之间关系的全面理解仍然缺乏。如今，同时，随着自组装单层（SAM）等有机材料的进展，由于其优异的钙钛矿钝化效果和空穴传输性能，SAM -金属氧化物的双层结构被视为实现高性能PSCs有前途的工业CTL结构。但在现实环境中，在太阳能电池板经历的广泛温度波动下实现持久的可靠性是提高PSCs化学和机械稳定性的双重挑战。

根据国际电工委员会（IEC）和国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）协议，热循环测试可以很好地测量这种寿命性能。因此，在牢固的机械结合和防止Pero-CTL界面上的降解反应之间取得平衡尤为重要。然而，在高效PSCs的开发中，实现标准化热循环稳定性仍然是一个挑战，需要更加深入地研究。

二、【创新成果】

基于上述挑战，近期新加坡国立大学侯毅教授团队设计开发了一种脱键技术来揭示PSCs中的强键/高反应性和弱键/低反应性异质界面。这种方法使研究人员能够对不同阶段的相互作用进行深入分析，包括初始晶体生长阶段和长期老化阶段。该研究结果表明，在钙钛矿晶体生长过程中，界面键、质子转移相互作用和降解之间存在相关性。研究人员还发现热老化放大了质子转移反应，而电子空穴转移反应在光老化中更为突出。为了克服机械键合和化学降解之间的矛盾，研究人员将[4-(3,6-dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic acid (Me-4PACz)和9H,9′H-[3,3′-bicarbazole]-9,9′-diylbis(butane-4,1-diyl))diphosphonic acid (DCZ-4P)等SAM分子混合，在金属氧化物和钙钛矿界面引入额外的膦酸锚定基团，以增强键合。这种方法加强了异质界面键合，同时最大限度地减少了不良化学反应。该PSCs不仅实现了25.6%的最高效率（认证25.4%），而且还表现出更高的稳定性，在1,000小时的运行和热老化测试后保持90%的效率，并且在500次更严格的热循环评估中，目标PSCs保持了95%的初始PCE，超过相应的国际标准。

图1脱粘技术与界面粘接方法；© Springer Nature Limited 2024

首先，研究人员在真空条件下结合两个半电池，每个半电池由钙钛矿层（Cs0.1FA0.9PbI3）在各种金属氧化物衬底上组成。随后进行脱粘过程以分离Pero-MeOx界面。结合钙钛矿层内的高结晶度允许最初不同的薄膜无缝融合，使坚固的非均质Pero-MeOx界面易于脱键。横断面扫描电镜（SEM）成像显示，在真空键合条件下形成完整、均匀结晶的块状钙钛矿层，与在大气条件下形成的钙钛矿层形成明显对比。X射线衍射（XRD）图显示，与传统的层压钙钛矿相比，真空结合钙钛矿的PbI2峰更低。

图2脱粘后钙钛矿的可视化表征；© Springer Nature Limited 2024

随后，研究人员将脱粘后的钙钛矿，进行了不同的成像表征，以可视化不同Pero-MeOx界面中埋藏的钙钛矿，并总结了从图像中提取的参数。利用扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）显示了各种揭露的钙钛矿的形态。

图3界面化学反应特性；© Springer Nature Limited 2024

研究人员随后揭示了界面质子转移相互作用的强度与各种异质界面的界面成键之间有很强的相关性，提出界面键合可能源于金属氧化物对钙钛矿中质子的吸附。强吸附能力增强了界面键合，但同时增加了界面质子转移，使Pero-MeOx界面稳定性恶化。除了监测钙钛矿晶体生长过程中的界面相互作用外，该研究提出的脱粘技术还允许在暴露的界面受到各种老化条件后检查它。

图4异质接口特性与PSC器件性能；© Springer Nature Limited 2024

研究人员证明了在Pero-NiOx界面中引入常用的Me-4PACz可以作为阻挡层阻止界面反应。然而，由于Me-4PACz与钙钛矿的弱键合，也导致了分层问题。Me-4PACz-NiOx顶部的咔唑基团被认为有效地阻止了界面上的质子转移，这也导致界面键合更弱，从而导致界面脆弱性。为了进一步处理键合-降解之间的权衡，研究人员引入了一种分子DCZ-4P，它与Me-4PACz以1:1的摩尔比混合，形成混合的SAMs中间层，称为D4P。含有单个磷酸基的Me-4PACz和含有双磷酸基的DCZ-4P的混合SAMs提供了额外的磷酸基与钙钛矿相互作用，从而增强了界面键合和稳定性。

该研究介绍了一种有效的脱键技术来彻底分析PSCs晶体生长和老化阶段的异质界面行为，揭示了界面键合（断裂能范围从~2.49 J m−2到~0.38 J m−2）、质子转移相互作用和降解之间的强相关性，突出了PSCs的机械稳定性和化学稳定性之间的关键权衡。以“Determining the bonding–degradation trade-off at heterointerfaces for increased efficiency and stability of perovskite solar cells”为题发表在国际顶级期刊Nature energy上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，研究人员通过开发一种有效的脱键技术，揭示了PSCs异质界面在从初始晶体生长到老化的各个阶段相互作用的机制。该研究发现突出了异质界面上机械结合和化学降解之间的矛盾关系。研究证明，对于Pero - MeOx界面，机械上强的界面键合通常伴随着强烈的化学反应。质子转移反应起着关键作用，导致界面缺陷和降解位点的形成。为了解决这种键合与降解之间的权衡，合理设计能够在增强界面键合的同时阻止有害界面反应的SAMs，为优化钙钛矿异质界面提供了一种有前途的策略。这种方法不仅提高了PSCs的初始性能，而且显著提高了其在严格条件下的长期稳定性，未来是一项有前景的研究策略。

文献链接：Determining the bonding–degradation trade-off at heterointerfaces for increased efficiency and stability of perovskite solar cells，2024，https://doi.org/10.1038/s41560-024-01680-x）

本文由LWB供稿。

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