钙钛矿太阳能电池中存在的大量缺陷导致晶界和界面发生严重的非辐射复合，严重影响器件性能。在所有缺陷中，由于形成能较低，未配位Pb2+缺陷更容易形成。根据路易斯酸碱理论，未配位Pb2+是一种空轨道可以接受电子对形成配位键的路易斯酸。研究表明，用强配位的聚合物是钝化该缺陷的有效手段。然而，直接在前驱体中加入聚合物容易影响薄膜的结晶过程，降低晶体质量，影响薄膜的表面形貌和器件性能。此外强极性的聚合物通常只溶解在极性溶剂如DMSO中，容易破坏钙钛矿膜，难以实现钝化层的直接制备。
图1 聚合钝化路线
近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所逄淑平研究员团队根据作用位置的不同采用多种聚合策略引入聚合物钝化剂（图1），构建了三维聚合物钝化网络用于高性能钙钛矿太阳能电池。其中低沸点单体体相原位聚合可以有效地去除未聚合的单体，只保留聚合物在薄膜中。预聚合/二次聚合方法的引入有助于实现难溶于常用反溶剂的聚合物在薄膜表面的的制备。该策略使薄膜的半导体类型由强n型转变为弱n型，促进了钙钛矿层与空穴传输层之间的能级对准，延长了载流子寿命和扩散长度，显著提升了器件的开路电压和光电转换效率。由于钙钛矿更接近于本征半导体，器件效率提高到24.22%（认证效率为24.16%），小面积组件的PCE达到21.55%（图2）。这项工作为实现难溶于反溶剂的聚合物钝化层提供了一种新的策略，有利于扩展聚合物在钙钛矿太阳能电池中的应用。该工作以“Polymerization Strategies to Construct a 3D Polymer Passivation Network toward High Performance Perovskite Solar Cells”为题发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 202301574）。文章第一作者是青岛能源所博士生刘大昌和副研究员王啸博士。该研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东能源研究院的支持。该工作是团队近期关于提高钙钛矿效率和稳定性相关研究的最新进展之一。钙钛矿太阳能电池中自发形成的诸多缺陷不仅影响器件性能，在光和热应力作用下的还可以诱导离子迁移以及加速降解，制约了钙钛矿光伏器件的商业化。在小分子添加剂(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 20043−20050；Chem. Eng. J., 2023, 454, 138559；Adv. Energy Mater. 2023, 2203635)研究的基础上，团队进一步引入光热稳定性较好的聚合物作为钝化剂，通过强配位作用有效钝化了薄膜中的未配位Pb2+缺陷，获得了开压高达1.23V的钙钛矿电池（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, 202113932），并通过共聚合策略合成了具有双功能作用的聚合物作为钝化层，同时钝化界面处的阴阳离子缺陷，相应器件在最大功率点追踪测试1000h后，仍能保持95%的初始效率（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 202213478）。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202301574
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相关进展
中科院青能所逄淑平和王啸团队 Angew：多官能聚合物界面层构筑高效稳定钙钛矿太阳能电池
中科院青能所逄淑平团队Angew：聚丙烯腈强配位作用降低钙钛矿电池界面电压损失
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