双功能调控钙钛矿结晶,抑制δ相钙钛矿实现高效稳定的光伏器件

来源:钙钛矿材料和器件发布时间:2025-10-23 13:58:24

【文章信息】

PFPA 双功能锚定调控钙钛矿成核与结晶,抑制 δ 相提升太阳能电池效率与稳定性

第一作者:龚程

通讯作者:张聪*,李海云*,张鸿*,许梁*

单位:江西理工大学,河南理工大学,复旦大学

【研究背景】

α-甲脒铅碘(α-FAPbI3)钙钛矿因窄带隙(1.48 eV)、高热稳定性,成为高效钙钛矿太阳能电池(PSCs)的核心候选材料。然而,溶液法制备过程中,α-FAPbI3成核势垒高且FA+阳离子体积大,易形成光学惰性的α-FAPbI3杂质相(带隙 2.43 eV),不仅加速非辐射电子 - 空穴复合,还会降低晶体质量与器件稳定性,成为PSCs性能提升的关键瓶颈。现有通过路易斯酸碱配位调控结晶的策略中,功能配体多仅与FAI发生化学作用,无法有效钝化钙钛矿体相缺陷;且当体系含MABr/MACl 等组分时,结晶过程更难控制,器件稳定性进一步下降。因此,开发能同步调控结晶动力学、抑制杂质相且钝化缺陷的新策略,对推动α-FAPbI3基 PSCs实用化至关重要。

【文章简介】

近日,河南理工大学张聪教授、复旦大学李海云教授/张鸿教授、江西理工大学许梁教授团队合作,在国际顶刊《Nano Letters》上发表题为“Bifunctional Ligand Anchoring Modulates Colloidal Nucleation and Intermediate-Phase Crystallization for δ-Phase-Suppressed High-Efficiency Perovskite Solar Cells”的研究论文。

该研究创新性引入3-(五氟苯基)丙酸(PFPA)作为双功能配体,通过其氟苯环与I-的阴离子-π作用、羰基(C=O)与Pb2+的配位作用,调控无MA、纯碘体系钙钛矿前驱体的胶体行为与结晶过程,成功抑制α-FAPbI3杂质相生成,制备出高相纯度、低缺陷密度的α-FAPbI3钙钛矿薄膜,最终实现效率与稳定性双突破。

【文章要点】

要点一:PFPA 的双功能作用机制,精准锚定钙钛矿组分

PFPA分子同时具备电子受体(氟苯环)与电子供体(羰基)基团:氟苯环含5个强吸电子氟原子,形成缺电子环境,与FAI中的I-发生阴离子-π相互作用;羰基(C=O)的孤对电子与PbI2中的Pb2+形成强配位键;

要点二:调控前驱体胶体与溶剂蒸发,降低成核势垒

未加PFPA时,钙钛矿前驱体胶体尺寸仅0.1-1 nm(平均 0.27 nm);加入PFPA后,胶体尺寸增至350-450 nm(平均 384 nm),且分布更均一(对比PFCl、HFB的宽分布胶体);PFPA与Pb2+的配位作用削弱DMSO与PbI2的结合,加速溶剂蒸发,减少溶剂配位杂质生成,同时降低晶体成核势垒,促进细小钙钛矿晶粒均匀生长。

要点三:抑制δ相杂质,提升薄膜质量与电荷输运性能

原位UV-vis、PL、XRD表征显示:PFPA 延迟结晶动力学(目标膜结晶时间 9.54 s vs 对照膜 4.02 s),抑制无序中间相生成,20 s内完全消除δ-FAPbI3相;改性薄膜晶粒尺寸从380.4 nm增至619.2 nm,缺陷密度从1.38×10¹⁵ cm-3降至6.08×10¹⁴ cm-3,载流子寿命从197.94 ns 延长至 673.94 ns,电荷迁移率提升至30.51 cm2 V-1 s-1,显著减少非辐射复合。

                                       

要点四:器件效率与稳定性双突破

小面积(0.09 cm2)器件最高功率转换效率(PCE)达26.41%,1 cm2 大面积器件 PCE达24.38%,且无明显滞后现象;稳定性测试:未封装器件在 AM1.5G 光照下连续MPPT测试1500 h,效率保持率> 90%;封装器件在85℃、85%相对湿度(RH)湿热条件下老化1300 h,效率保持率> 85%,远超对照器件(1500 h MPPT 保持率 70%,1300 h 湿热保持率 < 65%)

                         

【文章链接】

Bifunctional Ligand Anchoring Modulates Colloidal Nucleation and Intermediate-Phase Crystallization for δ-Phase-Suppressed High-Efficiency Perovskite Solar Cells

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04217

参考消息来源:江西理工大学

责任编辑:wanqin
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