近年來(lái)，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以其卓越的光電轉(zhuǎn)換能力，在全球范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛關(guān)注。它的功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了令人矚目的25.7%，這一數(shù)字與硅太陽(yáng)能電池相媲美。然而，盡管我們?nèi)〉昧孙@著的進(jìn)展，但有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦中使用的有機(jī)成分在高溫下的不穩(wěn)定性，一直是我們面臨的挑戰(zhàn)。若能用無(wú)機(jī)陽(yáng)離子取而代之，這個(gè)問(wèn)題或許能得到有效解決。

在眾多無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料中，CsPbI3因其1.73 eV的帶隙而備受矚目，它與硅頂部電池的串聯(lián)配置更是被視為理想的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。然而，通過(guò)傳統(tǒng)溶液法制備的鈣鈦礦薄膜常常在表面和晶界處存在電子缺陷，這些缺陷作為非輻射復(fù)合中心，會(huì)捕獲自由電荷載流子，從而導(dǎo)致光電效率的整體下降。更糟糕的是，這些缺陷還可能引發(fā)離子遷移，使鈣鈦礦對(duì)光和濕氣的敏感性增加，進(jìn)一步影響其穩(wěn)定性。

為了克服這一難題，陜西師范大學(xué)的向萬(wàn)春、田慶文和劉生忠團(tuán)隊(duì)近期在無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的表面鈍化技術(shù)上取得了重大突破。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的含氟鈍化劑——三氟乙脒，用于抑制CsPbI3-xBrx薄膜中的缺陷。這種鈍化劑中的脒基能夠強(qiáng)有力地螯合到鈣鈦礦表面，有效抑制碘化物空位，同時(shí)通過(guò)氫鍵加強(qiáng)與其他分子的連接。更值得一提的是，三氟乙脒中的三個(gè)氟原子能夠形成堅(jiān)固的分子間氫鍵，為鈣鈦礦構(gòu)建了一道強(qiáng)大的防潮屏障。

經(jīng)過(guò)三氟乙脒處理的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池展現(xiàn)出了出色的性能。在0.09 cm²和1.0 cm²的器件面積上，其功率轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了21.35%和17.21%，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均創(chuàng)下了全無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新紀(jì)錄。更令人驚喜的是，該器件在室內(nèi)光照條件下的效率也高達(dá)39.78%，成為全無(wú)機(jī)室內(nèi)光伏器件中的佼佼者。此外，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化測(cè)試，三氟乙脒處理后的器件在960小時(shí)后仍能保留93%的初始效率，顯示出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。

?

這項(xiàng)研究不僅揭示了在設(shè)計(jì)新型鈍化分子時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮螯合構(gòu)型和分子間相互作用的重要性，以實(shí)現(xiàn)高效的表面鈍化和防潮效果；還進(jìn)一步證明了無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在弱光應(yīng)用中的巨大潛力。這項(xiàng)成果為無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的未來(lái)發(fā)展指明了方向，也為我們探索更高效、更穩(wěn)定的光伏技術(shù)提供了寶貴的啟示。

這篇研究論文已發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上，第一作者為陜西師范大學(xué)碩士研究生張浩。這一重大突破無(wú)疑為無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也讓我們對(duì)未來(lái)清潔能源的發(fā)展充滿(mǎn)了期待。

Fluorine-Containing Passivation Layer via Surface Chelation for Inorganic Perovskite Solar Cells

Hao Zhang, Wanchun Xiang, Xuejiao Zuo, Xiaojing Gu, Shiang Zhang, Yachao Du, Zhiteng Wang, Yali Liu, Haifeng Wu, Peijun Wang, Qingyue Cui, Hang Su, Qingwen Tian, Shengzhong (Frank) Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202216634