AM:使用树枝状聚合物作为挥发性储层的钙钛矿太阳能电池的可持续自修复

来源:先进光伏发布时间:2025-09-17 15:15:24

论文概览

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)在潮湿环境下本征不稳定性导致的性能衰退问题,韩国汉阳大学与高丽大学研究团队创新性地提出利用树枝状大分子(dendrimer)作为挥发性组分储存器,实现钙钛矿材料的可持续自修复。该研究通过设计具有高密度官能团的双亲性树枝状分子(NHD),在钙钛矿成膜过程中引入其作为添加剂,成功实现了对甲酰胺(FA)等挥发性组分的可逆捕获与释放,从而在多次湿度-干燥循环中保持器件性能。基于该策略的PSCs实现了26.2%的认证效率(Voc=1.19 V,Jsc=26.17 mA/cm²,FF=84.21%),并在10次高湿-干燥循环后仍能恢复90%的初始效率,展现出卓越的重复自修复能力。

技术亮点

双重功能设计:树枝状分子同时具备胺基与酯基官能团,通过Lewis酸碱作用钝化铅位点,并通过氢键捕获FA分子。

晶界定位与钝化:NHD优先分布于钙钛矿晶界,填充空隙并抑制电荷陷阱,提升载流子寿命与器件效率。

可逆相变机制:在湿度诱导降解过程中,NHD促进中间相(4H/6H)形成,抑制PbI₂完全分解,为自修复提供结构基础。

重复自修复能力:器件在10次循环(85% RH → 干燥)后仍保持90%以上效率,展示出可持续的恢复性能。

研究意义

✅破解稳定性瓶颈:首次实现PSCs在多次湿度循环中的高效自修复,推动其实际应用。✅提出新型自修复机制:通过分子设计实现挥发性组分的可控捕获与释放,为材料设计提供新思路。✅兼容高性能:在提升稳定性的同时,效率突破26%,兼顾性能与可靠性。✅推动产业化:为钙钛矿电池在多变环境下的长期运行提供技术路径。

深度精度

Figure 1展示了含有多功能树枝状聚合物(NHD)的钙钛矿太阳能电池(PSC)的可重复自修复性能。该图包括NHD的分子结构示意图、NHD-PSC的器件架构、电流-电压(J-V)特性曲线在降解和恢复后的变化、基于归一化光电转换效率(PCE)的循环恢复测试结果,以及原始和NHD-FAPbI₃薄膜在不同状态(初始、降解和恢复)下的平面扫描电子显微镜(SEM)图像和照片。结果显示,NHD-PSC在经历十次高湿与干燥交替循环后,仍能维持90%的初始PCE,而原始PSC则显著退化;SEM图像直观对比了薄膜形貌的变化,NHD-FAPbI₃在降解后能有效恢复至平滑致密的结构,而原始薄膜则保持粗糙多孔,这证明了NHD通过捕获挥发性甲脒(FA)和碘化物,实现了钙钛矿材料的可持续自修复,显著提升了器件的长期稳定性。

Figure 2通过二维掠入射广角X射线散射(GIWAXS)模式和一维线剖面分析,详细研究了树枝状聚合物NHD对钙钛矿薄膜晶体学特性的影响。该图呈现了FAPbI₃和NHD-FAPbI₃薄膜在初始、降解和恢复状态下的GIWAXS图案及对应的面内线剖面图,揭示了NHD如何抑制水分诱导的完全降解(如PbI₂和δ相的形成),并促进中间相(如4H和6H多型体)的生成。具体而言,原始薄膜在降解后出现2H相特征峰,而NHD-FAPbI₃则保持在稳定中间相,且在恢复后衍射模式完全回归初始状态;这些发现通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和快速傅里叶变换(FFT)模式进一步验证,表明NHD通过稳定PbI₆八面体和减少FA空位,实现了晶体结构的可逆转变,从而支撑了自修复机制。

Figure 3结合原子力显微镜(AFM)的表面形貌与表面电势成像,分析了NHD在钙钛矿晶界(GBs)处的分布及其对电荷复合的抑制作用。结果显示,NHD-FAPbI₃薄膜具有更大的晶粒和更均匀的表面电势分布,其均方根粗糙度虽略有增加,但电势波动显著降低,证实NHD有效钝化了晶界处的陷阱态,减少了非辐射复合,从而提升了器件性能。

Figure 4利用固态²⁷Pb NMR、X射线光电子能谱(XPS)、溶液¹H NMR和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等多种化学分析技术,深入揭示了钙钛矿在自修复过程中的化学变化机制。该图展示了原始和NHD-FAPbI₃在不同状态下的Pb NMR谱图、XPS的Pb 4f和I 3d区域谱线、I/Pb比率变化、溶液NMR谱图以及FT-IR结果,突出了NHD如何通过功能团(如胺基和酯基)与Pb离子和FA分子相互作用;例如,Pb NMR显示降解NHD-FAPbI₃的化学位移较低,表明Pb与NHD配位减少了脱屏蔽效应,而XPS和NMR数据证实了氢键的形成抑制了挥发性碘化物的生成,FT-IR则展示了FA在NHD上的吸附与释放行为,这些现象共同说明了NHD作为挥发性储库,通过可逆的化学键合稳定了钙钛矿晶格,促进了降解后的高效恢复。

Figure 5通过分子模拟和示意图,阐明了树枝状聚合物NHD实现钙钛矿可持续自修复的机制。该图包括FA、H₂O和HI在NHD表面的吸附等温线、FA结合位点的映射及氢键相互作用细节,以及自修复过程的示意图解;模拟结果显示,NHD对FA具有高吸附容量和低扩散率(0.073 Ų·ps⁻¹),使其能稳定捕获FA分子并通过氢键将其保留,而H₂O虽吸附强但扩散快易脱附,HI则作用微弱;在机制示意图中,NHD通过胺基与Pb离子的Lewis酸碱作用稳定晶界,同时酯基捕获释放的FA,促进中间相(如4H/6H)形成,并在水分排出后引导FA重新整合回PbI₆八面体,实现晶格的可逆恢复,这一过程显著减少了氧化损伤,为PSC提供了重复自修复能力。

结论展望

本研究通过设计多功能树枝状分子NHD,成功实现了钙钛矿太阳能电池的高效(26.2%)与可持续自修复(10次循环90%保持率),为解决钙钛矿材料的环境不稳定性提供了创新解决方案。该策略不仅深化了对钙钛矿降解-恢复机制的理解,也为下一代自修复光电器件的设计提供了理论与实践基础。未来,通过进一步优化分子结构、扩大制备规模及拓展应用场景,此类自修复钙钛矿电池有望在柔性电子、建筑一体化光伏等领域发挥重要作用。

文献来源:

Koo, B., Kim, W., Choi, K., Huh, J., Ko, M. J. Sustainable Self-Healing of Perovskite Solar Cells Using Dendrimers as Volatile Reservoirs.Advanced Materials (2025).

https://doi.org/10.1002/adma.202512410

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责任编辑:wanqin
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