鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）近年來(lái)發(fā)展迅猛，已成為最有潛力的下一代光伏技術(shù)之一。然而，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和制備工藝仍存在一些挑戰(zhàn)，阻礙著 PSC 的大規(guī)模應(yīng)用。提高鈣鈦礦電池效率和穩(wěn)定性的一個(gè)重要方法是缺陷鈍化，以減少缺陷態(tài)和陷阱態(tài)，提高電荷載流子傳輸效率。
在最近發(fā)表在《Nature》期刊的一項(xiàng)重要研究中，由香港城市大學(xué)馮憲平教授和英國(guó)牛津大學(xué) Henry J. Snaith 教授共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，發(fā)展出了一種具有突破性的水活化動(dòng)力鈍化策略，為高效且穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路。
【水活化動(dòng)力鈍化技術(shù)：突破性新策略！】
這項(xiàng)研究的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)了一種新的鈍化材料——阻礙脲/硫代氨基甲酸酯鍵 Lewis 酸堿材料（HUBLA）。這種材料利用水活化動(dòng)力鍵合，能夠在鈣鈦礦材料中動(dòng)態(tài)形成新的鈍化劑，以修復(fù)材料中的缺陷，進(jìn)而提高器件效率和穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)的鈍化材料通常只能在制備過(guò)程中被施加，而在裝置運(yùn)作后其效果就會(huì)減弱或消失。HUBLA 突破了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，它能夠在環(huán)境中的水分和熱量的作用下動(dòng)態(tài)地進(jìn)行修復(fù)，類似于“自我修復(fù)"功能。
HUBLA 的工作機(jī)制
HUBLA 在水存在的情況下會(huì)產(chǎn)生新的鈍化劑，以封堵材料的缺陷。這些鈍化劑可以與鈣鈦礦中的碘空位、無(wú)機(jī)陽(yáng)離子等缺陷進(jìn)行作用，抑制電荷復(fù)合，進(jìn)而提高器件的效率和穩(wěn)定性。 更值得關(guān)注的是，HUBLA 材料還能根據(jù)周?chē)h(huán)境中的熱量進(jìn)行自我調(diào)整，在加熱條件下生成新的鈍化劑。這種“熱活化"特性為HUBLA 鈍化材料帶來(lái)了更高的應(yīng)用彈性，在多種環(huán)境條件下都可以發(fā)揮有效的鈍化作用。
【HUBLA 鈍化技術(shù)：實(shí)現(xiàn)高效和穩(wěn)定性！】
研究團(tuán)隊(duì)以 HUBLA 鈍化材料制備了高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。阻礙脲/硫代氨基甲酸酯鍵 Lewis 酸堿材料（HUBLA）能優(yōu)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的原因主要包括以下幾點(diǎn)：
l 鈍化缺陷： 鈣鈦礦材料中常存在缺陷，這些缺陷會(huì)成為電子-空穴復(fù)合中心，降低電池的效率。HUBLA材料可以通過(guò)與鈣鈦礦表面的未配位金屬離子或缺陷位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)，鈍化這些缺陷，減少?gòu)?fù)合過(guò)程，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
l 改善接口質(zhì)量： 在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦層與電極之間的接口質(zhì)量對(duì)于電池性能至關(guān)重要。HUBLA材料能改善這些接口的質(zhì)量，提高接口處的電荷傳輸效率，減少電荷復(fù)合，從而提升電池性能。
l 穩(wěn)定性增強(qiáng)： 鈣鈦礦材料本身容易受環(huán)境因素（如濕度、氧氣、光照等）的影響而降解。HUBLA材料可以提供一種保護(hù)層，防止環(huán)境因素對(duì)鈣鈦礦材料的侵蝕，顯著增強(qiáng)電池的穩(wěn)定性和壽命。
l 能級(jí)匹配優(yōu)化： HUBLA材料具有Lewis酸堿性質(zhì)，可以調(diào)整鈣鈦礦材料與電極之間的能級(jí)匹配，從而優(yōu)化電荷注入和提取過(guò)程，減少能量損失，提高電池的開(kāi)路電壓和填充因子。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用 HUBLA 鈍化的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 25.1%。此外，該器件在 85℃ 下氮?dú)鈿夥罩欣匣?/span> 1500 小時(shí)后，仍能保持初始效率的 94%，而在此溫度下以及 30% 相對(duì)濕度（RH）空氣中老化 1000 小時(shí)后，其效率仍能維持初始效率的 88%。
【研究結(jié)果：重大的科學(xué)突破和應(yīng)用前景】
這項(xiàng)研究的成功不僅證明了水活化動(dòng)力鈍化策略的可行性，而且展現(xiàn)了HUBLA 在提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能和穩(wěn)定性方面具有巨大潛力。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)突破有望為未來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展提供新思路，加速其商業(yè)化應(yīng)用。
未來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化HUBLA 材料，探索更多水活化動(dòng)力鈍化策略，開(kāi)發(fā)更加穩(wěn)定高效的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，為實(shí)現(xiàn)低成本、高效清潔能源目標(biāo)而努力。
總結(jié)
香港城市大學(xué) Feng Shien-Ping 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，利用新穎的水活化動(dòng)力鈍化策略，顯著提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性。HUBLA 材料能夠在環(huán)境水分和熱量作用下，動(dòng)態(tài)修復(fù)鈣鈦礦材料缺陷，使器件在不同環(huán)境下都具有良好的性能表現(xiàn)。 這一研究成果標(biāo)志著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大突破，將為未來(lái)推動(dòng)光伏技術(shù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。
重要技術(shù)參數(shù):
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率： 25.1%
熱穩(wěn)定性： 在 85℃ 下氮?dú)鈿夥罩欣匣?/span> 1500 小時(shí)后，仍能保持初始效率的 94%
濕穩(wěn)定性： 在 85℃ 和 30% 相對(duì)濕度（RH）空氣中老化 1000 小時(shí)后，其效率仍能維持初始效率的 88%。
關(guān)鍵材料: 阻礙脲/硫代氨基甲酸酯鍵 Lewis 酸堿材料（HUBLA）
關(guān)鍵技術(shù): 水活化動(dòng)力鈍化策略
參考文獻(xiàn)
Water- and heat-activated dynamic passivation for perovskite photovoltaics
Nature 2024
【本研究參數(shù)圖】
Fig S5. 羥基和異氰酸酯基之間的反應(yīng)。(a) 羥基和異氰酸酯基反應(yīng)的化學(xué)方程式。(b) NCO-AS 與 IPA 反應(yīng) 30 分鐘的 1H-NMR 光譜。對(duì)于（b）和（c）、 0 分鐘后加入 IPA。
Fig S6. HUBLA 的交聯(lián)機(jī)制。兩個(gè)過(guò)氧化物晶體 一般不能結(jié)合在一起，因?yàn)樵诮涌谏蠜](méi)有相互作用或結(jié)合。交聯(lián)機(jī)制 相反，如果在包晶表面涂上 HUBLA，HUBLA 就能在接口上解離和結(jié)合，部分 HUBLA 就能與包晶結(jié)合在一起。HUB 可以在接口上解離和結(jié)合，部分 HUB 可以在兩個(gè)晶體的接口上誘導(dǎo)交聯(lián)（白色球代表 -N+H3
Fig S14. 原始和 HUBLA 涂層過(guò)氧化物晶體的穩(wěn)態(tài) PL 和 TRPL。插圖為透輝石晶體的照片和穩(wěn)態(tài) PL
推薦設(shè)備：
LQ-100X_PL_ 光致發(fā)光及發(fā)光量子產(chǎn)率測(cè)試系統(tǒng)
以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)對(duì)材料測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)：
l以緊湊的設(shè)計(jì)，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配4吋外徑PTFE材質(zhì)的積分球，并且整合NIST追溯的校準(zhǔn)，讓手套箱整合PL與PLQY成為可能。
l 利用先進(jìn)的儀表控制程序，可以進(jìn)行原位時(shí)間PL光譜解析，并且可產(chǎn)生2D與3D圖表，說(shuō)明使用者可以更快地表征材料在原位時(shí)間的變化。
l 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)可容易的做紅外擴(kuò)展，波長(zhǎng)由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可相容測(cè)試。
文獻(xiàn)參考自 Nature 2024 DIO: 10.1038/s41586-024-07705-5
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