化學(xué)所宋延林AFM：結(jié)晶調(diào)控+原位缺陷鈍化，打造高性能PSCs

主要內(nèi)容

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（Perovskite solar cells, PSCs）近年來(lái)發(fā)展迅猛，在全球光伏市場(chǎng)中的份額呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，憑借其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能，已然成為下一代光伏技術(shù)領(lǐng)域備受矚目的研究方向。然而，當(dāng)前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如，器件效率距離理論極限仍有較大差距，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足，在復(fù)雜環(huán)境條件下（如高溫、高濕）性能衰減迅速，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。其中，高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池面臨的一個(gè)核心挑戰(zhàn)，在于抑制鈣鈦礦層及其界面處缺陷所引發(fā)的非輻射復(fù)合，這會(huì)導(dǎo)致電荷載流子的損失，進(jìn)而影響電池的效率和穩(wěn)定性。

在此背景下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕于新型光電功能材料的設(shè)計(jì)與制備研究，在鈣鈦礦材料體系及相關(guān)器件方面取得了多項(xiàng)重要成果，相關(guān)研究多次發(fā)表在國(guó)際**學(xué)術(shù)期刊上，在行業(yè)內(nèi)具有廣泛影響力。鄭州大學(xué)張懿強(qiáng)教授、張沙沙教授團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能電池的界面工程和穩(wěn)定性提升方面有著深入且系統(tǒng)的研究，曾獲得多項(xiàng)***和省部級(jí)科研獎(jiǎng)項(xiàng)，擁有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新技術(shù)。此次，三方強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開(kāi)展研究，創(chuàng)新性地引入了一種新型的功能化磺酸鹽基離子液體——1 - 乙基 - 3 - 甲基咪唑甲基磺酸鹽（1 - ethyl - 3 - methylimidazolium methyl sulfonate, EMIM - MS），采用獨(dú)特的溶液旋涂與后退火相結(jié)合的工藝，在鈣鈦礦結(jié)晶過(guò)程中進(jìn)行原位缺陷鈍化。這種原位鈍化的方式能夠更精準(zhǔn)地針對(duì)缺陷位置進(jìn)行修飾，**程度減少對(duì)鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的破壞。

對(duì)于EMIM - MS的陰離子部分，-SO??基團(tuán)可與Pb2?形成配位作用，這種配位作用能夠穩(wěn)定鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中的鉛離子，減少因鉛離子空位或遷移引發(fā)的缺陷。而 -CH?基團(tuán)則可與I?形成氫鍵，有效固定碘離子，防止其在光照或熱作用下發(fā)生遷移和揮發(fā)，從而降低碘離子相關(guān)缺陷的產(chǎn)生。此外，EMIM - MS與甲脒離子（formamidinium, FA?）之間也能形成氫鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)了鈣鈦礦晶格的穩(wěn)定性。在這些相互作用的協(xié)同下，促成了大晶粒尺寸、高結(jié)晶度且低缺陷密度的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的形成。而且，由于EMIM - MS分子尺寸較大，在退火過(guò)程中可被擠壓至表面，在鈍化界面缺陷方面發(fā)揮著重要作用，有效減少了界面處的電荷復(fù)合中心。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入EMIM - MS離子液體（ILs）成功鈍化了相關(guān)缺陷，有效提升了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的效率與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，EMIM - MS分子能夠通過(guò)配位作用與未配位的Pb2?相互作用，并通過(guò)氫鍵與FA?和I?相互作用，最終形成大晶粒、高結(jié)晶度且低缺陷密度的鈣鈦礦薄膜。同時(shí)，該添加劑優(yōu)化了能級(jí)匹配，使得鈣鈦礦層與電子傳輸層、空穴傳輸層之間的能級(jí)更加匹配，減少了電荷在界面處的積累和復(fù)合。

具體而言，基于EMIM - MS的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率從對(duì)照樣的22.24%顯著提升至25.48%。開(kāi)路電壓從原來(lái)的1.08 V提升至1.15 V，這意味著電池在開(kāi)路狀態(tài)下能夠積累更多的電荷能量；短路電流密度從23.5 mA/cm2提高到25.2 mA/cm2，表明電池在單位時(shí)間內(nèi)能夠產(chǎn)生更多的光生電流；填充因子從0.87提升至0.90，反映了電池內(nèi)部電阻的減小和電荷傳輸效率的提高。同時(shí)，在長(zhǎng)期儲(chǔ)存測(cè)試中，添加EMIM - MS的電池在經(jīng)過(guò)1000小時(shí)后，效率仍能保持在初始值的90%以上；在濕熱穩(wěn)定性測(cè)試（85℃、85%相對(duì)濕度）中，經(jīng)過(guò)500小時(shí)后，其效率衰減不到10%，而對(duì)照器件在相同條件下效率衰減超過(guò)30%，充分展現(xiàn)出**的穩(wěn)定性。

本研究揭示了EMIM - MS改性在提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能與穩(wěn)定性方面的關(guān)鍵作用，為離子液體添加劑的鈍化效應(yīng)提供了寶貴見(jiàn)解。從能源領(lǐng)域來(lái)看，這一研究成果有助于提高太陽(yáng)能的利用效率，推動(dòng)清潔能源的大規(guī)模應(yīng)用，緩解全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度而言，為開(kāi)發(fā)高效且長(zhǎng)期穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的思路和方法，將有力推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室研究向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。