華大吳季懷ACS Photonics：二茂鐵衍生物作為氧化還原活性反溶劑添加劑，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池缺陷消除與殘余應(yīng)力緩解

發(fā)表時(shí)間：2025-08-04 14:48

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主要內(nèi)容

在新能源光伏領(lǐng)域，倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，其光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）更是成功突破27%大關(guān)。然而，陷阱輔助的非輻射復(fù)合猶如一道難以跨越的鴻溝，始終是制約其性能進(jìn)一步提升的核心難題。這種非輻射復(fù)合引發(fā)的電壓損失，如同沉重的枷鎖，嚴(yán)重限制了電池實(shí)際性能的拓展空間，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池難以在更廣泛的能源市場(chǎng)中發(fā)揮更大作用。

01

一步旋涂法之困與挑戰(zhàn)凸顯

在鈣鈦礦薄膜的制備工藝?yán)?，一步旋涂法憑借操作簡(jiǎn)便、成本較低等顯著優(yōu)點(diǎn)，成為常用的制備手段。然而，此方法通常需額外引入反溶劑步驟，這一步驟恰似“雙刃劍”，存在諸多不容小覷的問(wèn)題。

其可控性較差，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，反溶劑的滴加量、滴加速度以及作用時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)難以精準(zhǔn)控制。這就導(dǎo)致制備出的薄膜質(zhì)量參差不齊，無(wú)法保證每一批次薄膜都能達(dá)到理想狀態(tài)?？蓴U(kuò)展性也受到極大限制，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求，使得該制備方法在實(shí)際應(yīng)用推廣中面臨阻礙。

更為關(guān)鍵的是，反溶劑步驟不可避免地會(huì)在薄膜中引入本征缺陷。這些缺陷如同隱藏在電池內(nèi)部的“定時(shí)炸彈”，會(huì)引發(fā)一系列不良后果。例如增加載流子復(fù)合幾率，使電荷在傳輸過(guò)程中更容易發(fā)生復(fù)合而損失；降低電荷傳輸效率，影響電池對(duì)光能的轉(zhuǎn)化能力，進(jìn)而對(duì)電池性能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，制約了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的進(jìn)一步提升。

02

HEFc引入：創(chuàng)新策略破難題

面對(duì)上述嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，華僑大學(xué)吳季懷教授、孫偉海教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)勇挑重?fù)?dān)，開(kāi)展了一系列深入而系統(tǒng)的研究。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探索和理論分析，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出將1 - 羥乙基二茂鐵（HEFc）引入反溶劑體系。

他們巧妙地利用二茂鐵的環(huán)戊二烯基 - π - 鐵基團(tuán)構(gòu)建還原性環(huán)境，這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)提供了良好的化學(xué)基礎(chǔ)。而羥乙基取代基的引入，則如同給HEFc注入了一股強(qiáng)大的動(dòng)力，進(jìn)一步增強(qiáng)了其還原驅(qū)動(dòng)力，使其在化學(xué)反應(yīng)中能夠更加高效地發(fā)揮作用。

得益于HEFc增強(qiáng)的還原能力，在鈣鈦礦薄膜的制備過(guò)程中，I?的轉(zhuǎn)化過(guò)程得到有效促進(jìn)。I?作為一種常見(jiàn)雜質(zhì)，其存在會(huì)干擾鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，影響電池性能。HEFc能夠?qū)?還原為更穩(wěn)定的碘離子，從而減少其對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的破壞。同時(shí)，HEFc?氧化能力的減弱，進(jìn)一步抑制了PbI?的形成。PbI?是鈣鈦礦分解的產(chǎn)物之一，其積累會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦相分離，降低電池的穩(wěn)定性和效率。

HEFc通過(guò)調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)的平衡，成功避免了這一不利現(xiàn)象的發(fā)生，為制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

03

HEFc賦能：性能飛躍與應(yīng)用可期

此外，HEFc在鈣鈦礦生長(zhǎng)過(guò)程中展現(xiàn)出**的缺陷消除功能。它就像一位精準(zhǔn)的“指揮官”，能夠精準(zhǔn)調(diào)控鈣鈦礦的生長(zhǎng)進(jìn)程。在鈣鈦礦晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，HEFc可以吸附在晶體表面，抑制晶體的異常生長(zhǎng)，減少晶界處的缺陷形成。同時(shí)，它還能與薄膜中的缺陷位點(diǎn)發(fā)生相互作用，填充缺陷，降低缺陷密度。此外，HEFc還能有效抑制界面電荷泄漏，減少電荷在界面處的復(fù)合損失，從而顯著提升了器件的效率和穩(wěn)定性。

最終，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，集成HEFc的光伏電池實(shí)現(xiàn)了25.70%的光電轉(zhuǎn)換效率，這一成果在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域具有里程碑式的意義。在長(zhǎng)達(dá)900小時(shí)的加速老化測(cè)試中，未封裝的器件仍能保持80%以上的初始效率，充分彰顯了其優(yōu)異的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。即使在惡劣的環(huán)境條件下，該器件依然能夠穩(wěn)定工作，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的保障。

綜上所述，該團(tuán)隊(duì)的研究成果提出了一種**創(chuàng)新性的添加劑工程策略，該策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦薄膜微觀結(jié)構(gòu)與電荷傳輸性能的協(xié)同優(yōu)化。經(jīng)HEFc（1 - 羥乙基二茂鐵）改性的器件成功獲得了25.70%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），這一數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，具有較高的可信度。引入HEFc后，晶體取向性顯著增強(qiáng)，有利于電荷的定向傳輸；晶粒尺寸明顯增大，降低了晶界處的復(fù)合損失；表面粗糙度有效降低，減少了表面缺陷對(duì)電荷傳輸?shù)淖璧K。這些改進(jìn)共同抑制了非輻射復(fù)合，提高了載流子遷移率，不僅提升了器件的整體性能，還大幅增強(qiáng)了其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

因此，在反溶劑中摻雜具有協(xié)同優(yōu)化功能的HEFc，為提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能提供了一種行之有效的解決方案，有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，為全球能源轉(zhuǎn)型做出重要貢獻(xiàn)。