昆明理工大学黄惠&陈江照最新AM:原位构筑稳健层状金属有机复合物实现高性能反式钙钛矿太阳能电池晶界稳定化

来源:先进光伏发布时间:2025-08-01 09:13:14

论文概览

本文报道了一种通过调控钙钛矿膜内不稳定残留PbI₂来实现晶界稳定的新策略:将2-碘咪唑(2-IM)引入钙钛矿前驱体溶液,使晶界处不稳定残留PbI₂原位转化为具有有序六方层状晶体结构的金属有机复合物2-IMPbI₂。研究发现2-IMPbI₂比PbI₂具有更优异的缺陷钝化效果与稳定性。该复合物同步促进钙钛矿结晶、钝化晶界缺陷、抑制离子迁移、减轻相分离并提升载流子传输,从而协同提升PCE与稳定性。基于此晶界调控策略,1.66 eV反式结构PSCs实现24.12%的PCE,属该能带PSCs迄今最高效率记录。该策略在1.53 eV PSCs中展现普适性,实现26.84%的PCE。更关键的是,含2-IMPbI₂的宽带隙反式PSCs在持续最大功率点运行1000小时后保持94%初始效率,在85°C热应力老化500小时后维持90%初始效率。

技术亮点

2-IMPbI₂复合物同步优化载流子动力学与界面能级排列,1.53eV反式电池效率达26.84%(认证纪录),1.66eV宽带隙电池效率24.12%。器件在85℃/氮气环境中运行500小时保持90%初始效率。

深度解析

通过分子静电势谱揭示2-IM的N1位点具备强路易斯碱性(图1a),与PbI₂的配位作用显著抑制枝晶生长(图1b)。XRD证实2-IMPbI₂形成独特六方层状晶体(层间距14.32Å,较PbI₂扩大104%),(001)/(002)晶面衍射峰位于6.17°/12.34°(图1d)。SEM显示该复合物呈现规整多边形形貌(图1f),而TEM衍射斑点证实其长程有序性(图1l-m)。引入钙钛矿膜后,2-IMPbI₂特征峰完全取代PbI₂的12.65°峰(图1g),同步促使晶粒尺寸扩大2.3倍(图1i),实现晶界残留物的原子级重构。

DFT理论模拟揭示革命性插层机制:2-IM通过氢键与配位键插入PbI₂层间(图2b),形成"分子铆钉"结构。模拟XRD与实验高度吻合(误差<5%)(图2c)。能带分析表明2-IMPbI₂价带电荷密度向有机分子集中(图2d),导带底能级从-3.8eV升至-3.5eV,带隙从2.37eV扩至2.64eV(图2e)。紫外光电子谱证实其使钙钛矿功函数降低0.48eV,形成更优电子抽取界面,彻底消除PbI₂的0.7eV界面势垒。

离子迁移抑制实验取得突破:2-IMPbI₂的碘离子迁移激活能达0.621eV,较对照组(0.406eV)提升53%(图3a-b)。TOF-SIMS深度剖析显示,经100℃老化5天后,改性器件的Ag⁺渗透量降低50%,I⁻扩散量下降一个数量级(图3d-e)。光照老化实验中,对照组因PbI₂光解导致I⁻剧烈迁移,而改性组保持稳定(图3f-g)。PL成像证实复合物使老化后荧光均匀性提升3倍(图3h-i),为长效稳定性提供直接证据。

载流子动力学全面优化:原位PL监测显示2-IM将钙钛矿结晶速率降低87%,缺陷形成率下降60%(图4a-b)。时间分辨荧光谱揭示载流子寿命从143ns延长至277ns(图4d)。空间电荷限制电流测得电子陷阱密度降低26%(4.72→3.51×10¹⁵cm⁻³)(图4e)。准费米能级分裂值提升至1.374eV(图4f),瞬态光电压寿命从12.86μs增至46.72μs(图4h)。暗电流测试显示泄漏电流降低2个数量级(图4j),为效率突破奠定基础。

器件性能创纪录:1.66eV宽带隙电池实现24.12%效率(Voc=1.27V,FF=84.33%),1.53eV电池达26.84%(Voc=1.201V)(图5a-b)。最大功率点追踪1000小时后效率保持94%(图5c),85℃热老化500小时保持90%(图5d)。潮湿环境(40-60%RH)下1500小时效率维持92%(图5e),较对照组寿命延长4倍。效率-稳定性协同效应突破现有技术天花板。

结论展望

本研究利用2-IM将光热不稳定的PbI₂残留物原位转化为六方层状金属有机复合物2-IMPbI₂。该复合物凭借14.32Å超大层间距形成离子迁移物理屏障,其碘离子迁移激活能达0.621eV(较PbI₂提升53%),并通过能带重构使界面势垒降低0.48eV。微观层面,2-IMPbI₂的(001)晶面定向生长诱导钙钛矿晶粒扩大2.3倍;载流子动力学上,缺陷密度降低26%使载流子寿命延长至277ns,瞬态光电压寿命提升3.6倍。这些协同效应促成1.53eV/1.66eV电池双破效率纪录(26.84%/24.12%),更在稳定性维度实现三重突破——光照千小时效率维持94%、85℃热老化500小时保持90%、湿热环境1500小时维持92%,其湿热稳定性超过IEC61215国际标准的5倍。

文献来源

Li, H., Peng, Y., Wu, Z. et al. Stabilizing Grain Boundaries by In Situ Formation of Robust Layered Metallo-Organic Complex toward High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells.

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202511124

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责任编辑:wanqin
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