有機-無機混合鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）效率自2009年3.8%提升至認證PCE 26.15%，展現競爭潛力。然而，溶液處理材料不穩(wěn)定性阻礙商業(yè)化。溶液老化影響鈣鈦礦層性質及PVSCs性能，故開發(fā)穩(wěn)定前驅溶液至關重要。
南昌大學陳義昌團隊于Angewandte發(fā)表的研究(DOI: 10.1002/anie.202411708)中，探討提升鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）前驅溶液穩(wěn)定性的創(chuàng)新方法。其中提出雖然有多種延長保質期策略，研究團隊發(fā)現兩步法前驅溶液老化更顯著，因異丙醇更易引發(fā)副反應，針對兩步法前驅溶液的調控尤為重要，此研究為兩步法鈣鈦礦前驅溶液穩(wěn)定化提供重要理論基礎和實際指導
研究團隊提出創(chuàng)新方法：在有機胺鹽溶液中添加苯-1,3-二硫醇（BDT），在PbI2前驅溶液中引入十甲基二茂鐵（FcMe10/ FcMe10+）對。BDT抑制胺-陽離子副反應和碘離子氧化，FcMe10/ FcMe10+對循環(huán)氧化Pb0和還原I2。結果顯示，改良后的PVSCs器件達25.31%的功率轉換效率（PCE），21天后仍保持95%效率，未封裝器件1500小時后維持85%初始效率。
圖1. a) 兩步前體溶液老化機制和靶向抑制策略的示意圖。
兩步法前驅溶液制備與器件制程
胺陽離子副反應是主要降解原因。去質子化引發(fā)副反應，生成低質量薄膜。I-離子氧化為I2影響性能。PbI2分解為Pb0和I2增加非輻射復合。研究者提出多種方法，如引入添加劑抑制去質子化、還原I2缺陷、控制結晶等。然而，現有研究主要集中一步法，單一添加劑難以全面解決問題。需開發(fā)選擇性穩(wěn)定方法以維持精確化學計量比。
以下是透過論文全文及補充資料所歸納出的研究手法
1. 前體溶液的穩(wěn)定化：研究人員針對兩步法中的前體溶液穩(wěn)定性問題，提出了一種新方法。他們在有機胺鹽溶液中加入苯-1,3-二硫醇（BDT）和在碘化鉛（PbI2）前體溶液中加入十甲基二茂鐵（FcMe10/ FcMe10+），以穩(wěn)定前體溶液。
2. 抑制副反應：BDT的加入可以抑制胺-陽離子副反應和碘離子的氧化，從而形成酸性和還原環(huán)境。FcMe10/ FcMe10+則作為氧化還原穿梭，循環(huán)氧化Pb0和還原I2。
3. 光電轉換效率測試：研究人員制備了過氧化物太陽能電池（PVSCs）裝置，并測試其光電轉換效率（PCE）。結果顯示，改良后的前體溶液制成的PVSCs裝置表現出的PCE為25.31%，并且在溶液老化21天后仍能保持95%的效率。
Fig S20. 參考和改良的光伏電池的 J-V 曲線，具有不同濃度的 a) BDT 和 b) FcMe10 在標準 AM 1.5 G 照明條件下（100 mW·cm-2）
本研究使用光焱科技AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器，可便于整合手套箱。針對易衰退的材料器件量測上具有相對有效的數據取的。
4. 長期穩(wěn)定性測試：未封裝的裝置在最大功率點追蹤下連續(xù)照射1500小時后，仍能保持85%的原始效率。
Fig5. k) 對應設備的J-V曲線。l) 在N2手套箱中，在25°C下恒定光照下監(jiān)測未封裝設備的MPP。
5. 各項表征量測與分析:
l X射線衍射（XRD）分析：為了探測前體溶液老化對殘留應力的影響，研究人員進行了深度依賴的掠入射X射線衍射（GIXRD）測量。
FigS13.來自a)控制前體溶液和b)在不同時間經過老化的目標前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。
l 核磁共振（NMR）分析：通過1H-NMR測量來檢查反應物和產物的轉化，以深入了解降解和抑制機制。
l 紫外-可見（UV-vis）和穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）測試：這些測試用于評估大面積過氧化物薄膜的均勻性和光伏性能。
FigS5.顯示了紫外-可見光吸收光譜和照片：
(a) 純BDT溶液的吸收光譜，顯示在300 nm左右有吸收峰。
(b) 純I?和I?-BDT溶液的吸收光譜。I?溶液在300-400 nm范圍內有明顯的吸收峰，而I?-BDT溶液的吸收峰強度明顯降低，顯示出BDT對I?的影響。
FigS16.
a）控制前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜和
b）不同時間老化的目標前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)態(tài)PL光譜。
室溫下展現前驅體溶液95%的初始效率穩(wěn)定性
本研究提出了針對性創(chuàng)新的策略，通過引入BDT和FcMe10+添加劑來穩(wěn)定前驅體溶液，顯著延長了兩步前驅體溶液的保存期。這種方法的核心在于利用BDT中的-SH基團和FcMe10/FcMe+10氧化還原對來抑制有機陽離子的降解和I-的氧化。此策略不僅提高了前驅體溶液的穩(wěn)定性，還改善了最終鈣鈦礦薄膜的質量。
結果表明，采用這種方法制備的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒尺寸、更少的缺陷和顯著減少的PbI2殘留。這些改進直接轉化為光伏性能的提升，實現了25.31%的高效率。值得注意的是，即使在室溫下存儲21天后，摻雜的前驅體溶液仍保持穩(wěn)定，相應器件仍能保持95%的初始效率。通過解決前驅體溶液穩(wěn)定性這一關鍵挑戰(zhàn)，本研究為推進光伏技術的大規(guī)模應用做出了重要貢獻。
文獻參考自Angewandte 2024_Doi:10.1002/anie.202411708
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