文章介绍
解决金属电极和钙钛矿组件之间化学相互作用引起的稳定性挑战对于高性能钙钛矿太阳能电池 (PSC) 至关重要。
基于此，华中科技大学/海南大学李雄等人设计了一种由聚乙烯亚胺 (PEI) 和 2-((2-甲基-3-(2-(2-甲基丁酰基)氧基)乙氧基)-3-氧代丙基)硫代)-3-(甲硫基)琥珀酸 (PDMEA) 组成的双层多功能聚合物缓冲液，插入金属电极/传输层的界面。该缓冲液通过在金属层和 PDMEA 之间形成硫醚-金属-羧基螯合环来减轻金属原子扩散。此外，它通过基于 Lewis 酸碱反应的 PDMEA 羧基和 PEI 胺基之间的原位交联来促进高效的电子传输并抑制界面复合。因此，这种设计有效地减少了器件制造和作过程中不需要的金属/离子相互扩散。使用 PEI/PDMEA 缓冲层得到的 PSC 实现了 26.46% (0.1 cm2) 和 24.70% (1.01 cm2) 的认证功率转换效率 (PCE)，显示出增强的 热稳定性和作稳定性。作者预计这种缓冲层设计策略通过具有不同功能的聚合物交联形成双层聚合物缓冲层，将激发为高效和稳定的 PSC 和其他电子设备合理设计坚固缓冲层。该论文近期以“Cross-linked multifunctional bilayer polymer buffer for enhanced efficiency and stability in perovskite solar cells”为题发表在顶级期刊Nature Communications上。
研究亮点：
交联多功能双层聚合物缓冲层：通过引入交联的多功能聚合物，科研团队增强了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。
效率提升：采用这种缓冲层的钙钛矿太阳能电池实现了更高的光电转换效率。
稳定性增强：优化后的电池展现出更好的长期稳定性，这对于钙钛矿太阳能电池的实际应用至关重要。
研究内容：
该研究专注于通过聚合物辅助形态控制来提高钙钛矿太阳能电池的性能。科研团队通过精确控制聚合物的引入，优化了钙钛矿材料的结晶过程和界面特性，从而提高了电荷传输效率和电池的整体性能。
研究意义：
性能提升：这项工作提供了一种通过聚合物辅助形态控制来提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的新方法。
推动产业化进程：这种交联多功能双层聚合物缓冲层技术为钙钛矿太阳能电池的商业化和大规模生产提供了新的可能性，有助于推动绿色能源技术的广泛应用和可持续发展。
科学贡献：该研究为理解和设计高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供了新的视角，对于钙钛矿太阳能电池领域的科学进步具有重要贡献。
图文信息
图1. PDMEA的分子结构及其与PEI和Ag层的相互作用机理。a p-i-n PSC和分子机理示意图。B分别为PEI、PDMEA和PEI + PDMEA溶液的照片。c分别为PEI、PDMEA和PEI + PDMEA溶液的FTIR光谱，d分别为PDMEA和Ag/PDMEA膜的FTIR光谱，e、f分别为Ag和Ag/PDMEA膜的Ag 3d(e)和S 2 p(f)XPS光谱。
图2. PEI/PDMEA缓冲层的稳定机制。a在电极的高真空热蒸发期间PSC的示意图，显示了基于BCP的器件中钙钛矿膜的表面损伤和基于PEI/ PDMEA的器件中完整的钙钛矿层。B，c电极高真空热蒸发前后钙钛矿层的N 1 s和I 3d峰的XPS结果。d高真空热蒸发前后钙钛矿膜的紫外-可见光谱。真空热蒸发电极。e钙钛矿膜在电极的高真空热蒸发之前和之后的PL光谱。f热老化之后的完整太阳能电池的示意图显示了在基于PEI/PDMEA的器件中Ag和I扩散的有效阻挡。g，h在手套箱中在85 ℃下老化500小时后，在BCP和PEI/PDMEA基器件上进行剥离的Ag实验。(g)Ag膜底部的SEM图像和(h)PCBM膜顶部的EDS绘图。i，j老化的(i)BCP基器件和(j)PEI/PDMEA基器件的ToF-SIMS的深度分布。
图3. 具有缓冲层的器件的电学特性。a BCP和PEI/PDMEA膜的电导率测量。B应用空间电荷限制电流(SCLC)方法测量BCP和PEI/PDMEA膜的电子迁移率。仅电子器件结构是ITO/SnO 2/BCP或PEI/PDMEA/PCBM/Au。c BCP和PEI/PDMEA基器件的瞬态光电流(TPC)衰减特性，d.分别基于BCP和PEI/PDMEA的PSC的暗J-V曲线。e分别基于BCP和PEI/PDMEA的PSC的莫特-肖特基曲线。f分别基于BCP和PEI/PDMEA的器件的瞬态光电压(TPV)衰减特性。
图4. 具有缓冲层的PSC的光伏性能和稳定性。a BCP和PEI/PDMEA基器件的J-V曲线。B BCP和PEI/PDMEA器件的PV参数统计。方c BCP和PEI/PDMEA PSC的IPCE光谱。d有效面积为1.01 cm 2的经认证PEI/PDMEA基器件的J-V曲线，插图显示了器件的照片。e p-i-根据ISOS-D-2 I方案，在85 ℃下储存2000小时期间的热稳定性BCP和PEI/PDMEA组分别使用了四个样品，并将数据与标准偏差(SD)一起绘制。g在50%相对湿度(RH)和65 °C的模拟1个太阳光照下，按照ISOS-L-3协议中定义。
总之，作者成功地开发了一种用于倒置PSC的多功能PEI/ PDMEA缓冲层。PDMEA的硫醚和羧基与金属原子协同形成螯合环，有效地固定了它们。PEI/PDMEA双层缓冲层的交联网络显著抑制了金属/离子(Ag，I)并防止有毒重金属(Pb)的泄漏。结合PEI/PDMEA缓冲液的PSC对于0.1cm 2和1.01cm 2的孔面积实现了26.46%和24.7%的认证PCE，这些器件在85 °C下2000 h后保持其初始效率的90%以上，并且在65 °C下在一个太阳光照下MPPT 1010 h后保持其初始效率的95.5%。此外，PEI/PDMEA聚合物是通用的，并且适用于具有各种带隙的PSC，对于1.75 eV、1.53 eV和1.25 eV的钙钛矿吸收体，分别实现了19.26%、26.54%和22.08%的冠军PCE。这证明了双层聚合物缓冲层在提高PSC效率方面的普遍适用性。其涉及通过刘易斯酸-碱反应原位交联具有不同官能度的聚合物，可以激发用于PSC和其它电子器件中的界面稳定性和良性电子性质的稳健缓冲剂的化学设计。
器件制备
器件制备：
ITO/SAM/PVSK/PC60BM/PEI/PDMEA/Ag
1. 洗干净的ITO玻璃，UV 30min，0.5 mg/mL 4PADCB EtOH，3000rpm 30s旋涂，100℃退火10min;
2. 1.5 M FA0.95Cs0.05PbI3通过将245.06 mg FAI、19.50 mg CsI，691.50 mg PbI2于DMF/DMSO(4:1 v/v)，60℃加热1h，0.22um PTFE过滤。1000rpm 10s+4000rpm 40s旋涂，100℃退火30min;
3. PC61BM (20 mg/ml 于CB) ，2000rpm 40s旋涂;BCP or PEI (0.5 mg/ml 于IPA) ，5000rpm 40s旋涂;
4. PDMEA, PDMEA(0、0.5、1、1.5mg/mL于乙酸乙酯中)，5000rpm 30s旋涂，75℃退火10min;
5. 蒸镀100 nm Ag;
文章信息
Li, Y., Li, L., Zeng, H. et al. Cross-linked multifunctional bilayer polymer buffer for enhanced efficiency and stability in perovskite solar cells. Nat Commun 16, 6038 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61294-zDOI: 10.1038/s41467-025-61294-z
