# 移动碘捕获技术助力高稳定性的钙钛矿太阳能电池

2024-06-03 Mon
移动碘捕获技术助力高稳定性的钙钛矿太阳能电池背景介绍钙钛矿太阳能电池 (Perovskite Solar Cells, PSCs) 因其高效率和低成本而被认为是未来光伏发电的热门候选材料。然而，钙钛矿材料自身的稳定性问题，尤其是光分解（Photolysis）和离子迁移（Ion Migration），严重影响了其实际应用。具体来说，碘离子（Iodide）和碘空位（Iodine Vacancies）等缺陷在光照和偏压条件下会引发自加速的化学反应，导致钙钛矿材料快速降解。因此，寻求能够捕获和稳定碘相关缺陷的方法对提高PSCs的稳定性具有重要意义。
论文来源本文由Xiaoxue Ren、Jifei Wang、Yun Lin、Yingwei Wang、Haipeng Xie、Han Huang、Bin Yang、Yanfa Yan、Yongli Gao、Jun He、Jinsong Huang和Yongbo Yuan 等学者撰写，分别来自湖南大学材料科学与工程学院、中央南大学物理与电子学院、托莱多大学物理与天文学系等机构。论文发表在《Nature Materials》期刊上，文章DOI 为https://doi.org/10.1038/s41563-024-01876-2。
研究流程该研究旨在通过界面材料捕获动态释放的碘和防止碘离子（ix-）损失，提出了一个新的策略来保护钙钛矿太阳能电池。文中详细描述了以下几个实验步骤：
引入外源性碘分子：
研究人员通过旋涂碘/异丙醇溶液在钙钛矿表面引入外源性碘（I2）分子，用于模拟碘加速降解的条件。研究发现，引入的碘分子在光照下会加速钙钛矿的降解。
软路易斯酸的保护作用：
通过在钙钛矿表面覆盖少量的软路易斯酸（Soft Lewis Acids）如C60、PCBM、PFi和5FiB等材料，发现这些材料能够有效捕获碘分子，并显著延缓钙钛矿材料的降解速度。具体实验表明，覆盖C60层的钙钛矿膜在UV光辐照下稳定性提高了约10倍。
拉曼光谱测绘验证：
利用拉曼光谱在不同区域测绘发现C60层无论位于分析层的顶部还是底部，都能有效捕获碘阴离子（I3-），这表明软路易斯酸捕获碘的能力是系统性的。
不同捕获剂的比较：
比较了多种有机电子传输材料如PCBM、C60与Fai、CSi或PBi2等碘化物的结合能，发现PFi捕获碘的能力最强，这是由于PFi在碳-氟链端的碘原子具有较强吸电子性质，从而能够有效结合负电荷的I-或IX-。
动态碘捕获稳定性的应用：
在应对电池反向偏压的不稳定性方面，采用PFi/PCBM/C60作为电子传输层的电池能在极端反向偏压条件下保持良好的稳定性，而未进行界面优化的电池在短时间内效率迅速下降。
主要结果保护机制：
研究证实，PFi和C60通过捕获钙钛矿薄膜中释放的碘或碘自由基，有效抑制了离子迁移，可以防止界面金属腐蚀，提升逆偏压稳定性。
稳定性显著提高：
覆盖PFi/PCBM/C60的反相型钙钛矿太阳能电池在反向偏压下100小时保持90%的初始效率，稳定性提升了三个数量级。此外，该结构下电池在UV-光照和热光条件下表现出显著的稳定性提升，分别提高了约10倍和30倍。
防止碘损失，提高制造良品率：
在制造过程中，通过PFi层有效防止碘离子的损失，使得最终产品的初始碘空位浓度降低，显著提升了产品的制造良品率。
提升光电转换效率：
由于PFi分子的偶极方向有利于电荷收集，采用PFi/PCBM/C60作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池开路电压（Voc）和光电转换效率（PCE）均有所提升。
结论与价值该研究提出了一种通过界面碘/碘化物捕获策略显著提高钙钛矿太阳能电池的光、热和电稳定性的新方法。采用PFi/PCBM/C60作为电子传输层，不仅提高了电池的稳定性，也提升了光电转换效率，为实际应用提供了可靠保证。此改革对于提升钙钛矿太阳能电池的商业化进程具有重要意义。
通过定向卤键提升离子捕获能力，避免反向偏压下性能的急剧下降，研究为高效稳定的钙钛矿光伏产业指引了新的方向，展示了巨大的应用价值和潜力。