钙钛矿太阳能电池的效率已从< 4%上升到目前的26%，可与商业晶体硅电池相媲美。其高效率和低制造成本为钙钛矿太阳能电池提供了广泛的应用前景。钙钛矿太阳能电池在商业化过程中难免会遇到恶劣的天气。雨水、高温等因素会导致严重的铅泄漏，有毒的铅积累对人类的健康和环境构成了严重的威胁。然而，无铅和部分铅取代的钙钛矿材料的器件效率和稳定性较差。因此，纯铅基钙钛矿材料仍然是获得高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的最佳保证。在无法成功消除铅的前提下，想要保持高效率和稳定性，尽量减少铅的泄漏是至关重要的。
青岛科技大学周忠敏教授团队与合作者报道了一种有机小分子单体八氟-1,6-己二醇二丙烯酸酯（OF-HDDA）引入钙钛矿薄膜通过末端烯烃发生原位交联形成聚合物（POF-HDDA），获得高性能高稳定性且低铅泄漏的器件与模组。POF-HDDA克服了小分子波动大、扩散系数高、在钙钛矿内部分布不均匀等缺点。该文章提出了通过热交联形成聚合物的策略，羰基锚定钙钛矿中未配位的Pb2+，减少铅的泄漏。同时通过钝化内部Pb相关和I相关缺陷调节钙钛矿膜的结晶，降低陷阱密度，释放晶格应变，促进载流子的运输和提取。进而获得高性能高稳定的低铅泄漏的器件和模组。
结果表明，聚合物处理器件的冠军PCE达到24.76%，大面积模块（面积为14 cm2）的PCE达到20.66%。-CF2-重复单元使钙钛矿具有疏水性，采用立体方式封装钙钛矿，有效防止铅在水和氧渗透下发生泄漏，铅泄漏抑制率为85%。此外，POF-HDDA修饰的器件还表现出了优秀的存储、湿度稳定性、热稳定性和运行稳定性。在空气中储存4300h后，仍然保留原始效率的90%；在连续光照1000小时后，器件仍保持原始效率的92%，这项工作将有效推动钙钛矿太阳能电池的商业化。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是我院2021级硕士研究生张家康，通讯作者王莉教授，高洪涛教授和周忠敏教授。
论文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202305221
Zhang, Jiakang, Li, Zhipeng, Guo, Fengjuan, Jiang, Haokun, Yan, Wenjian, Peng, Cheng, Liu, Ruixin, Wang, Li, Gao, Hongtao, Pang, Shuping, zhou, zhongmin, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202305221. DOI: 10.1002/anie.202305221。
在钙钛矿中用锡取代部分铅，一方面可以降低毒性，另一方面可以降低带隙，潜在的改善器件性能。然而，锡铅钙钛矿结晶速度快、 Sn2+易被氧化成Sn4+，使得锡铅合金钙钛矿薄膜的体相和表面产生很多缺陷，从而导致钙钛矿太阳能电池器件的不稳定性问题。鉴于此，周忠敏团队和合作者将含有亚砜基团的有机小分子三甲基碘化亚砜（TMSI）作为添加剂和氟化亚锡（SnF2）同时引入锡铅合金钙钛矿前驱体溶液中，以调节钙钛矿薄膜的结晶，制备高质量的钙钛矿薄膜。我们通过密度泛函理论（DFT）和核磁共振氢谱（1H NMR）分析了TMSI与钙钛矿的相互作用，并且通过XPS 表明TMSI的引入抑制了Sn2+的氧化。
结果获得了具有高取向和低缺陷密度的锡铅合金钙钛矿薄膜，同时抑制了离子迁移。经过TMSI和SnF2处理的锡铅合金太阳电池PCE最高达到22.6%，掺杂后的器件，未封装情况下，在N2中具有超过6000 h的储存稳定性。此外，在最大功率点（MPP）连续照射下也表现出优异的稳定性，在N2气氛中1200h后器件PCE仍保持其初始PCE的88%。因此，这种多功能调节的方法为加速钙钛矿光伏的发展提供了一种有希望的化学策略。相关成果发表在ACS Energy Letters上（DOI：10.1021/acsenergylett.2c02576）。
这一成果发表在ACS Energy Letters上，文章的第一作者是我院2020级硕士研究生姜霞飞，通讯作者李崇文博士周忠敏教授。
文章信息
Multifunctional Regulation of Highly Orientated Tin−Lead Alloyed Perovskite Solar Cells
Xiafei Jiang, Chongwen Li, Xianzhao Wang, Cheng Peng, Haokun Jiang, Hongkai Bu, Mingzhe Zhu, Hang Yin, Benlin He, Haiyan Li, Shuping Pang, and Zhongmin Zhou，
ACS Energy Letters， DOI：10.1021/acsenergylett.2c02576。