西安交大科研人员研发基于表面晶格应变调控的高效反型钙钛矿太阳能电池

如今，由于化石燃料储存限制，对可再生能量的需求急剧增长，急需发展高效稳定太阳能电池。有机-无机金属卤素钙钛矿材料作为近年的明星材料，由于其理想的直接带隙，高吸收系数，高载流子迁移率等优良光电特性而得到广泛研究。然而，由于其材料低形成能和快速结晶限制器件长期稳定性，阻碍其发展。近年来，功能化有机分子已被选择用于抑制缺陷形成等导致的稳定性问题。路易斯酸碱添加剂证明在延缓结晶、抑制缺陷形成方面特别有效。Henry J. Snaith组已经证明路易斯碱可以钝化晶格中未配位的Pb原子，降低非辐射复合，大幅提高荧光寿命。此外，关于同时具有缺陷钝化和晶格表界面稳固，实现相应分子的设计和选择也显得尤为重要。因此，解决表界面晶格稳固，提高功能材料固有稳定，将有利于高效率器件的实现和长期稳定性。

针对以上钙钛矿太阳能器件中存在的问题，西安交通大学吴朝新团队开发了一种具有刚性和离域的共轭配体4-phenylpyridine (4-pPy)，通过调节结晶动力学，制备高质量、高结晶取向薄膜，减少晶格表面空位形成，并有效抑制晶格扭曲导致的器件不稳定。此外，有序排列显著抑制晶格畸变。DFT计算表明，吡啶衍生物与钙钛矿晶界表面三维排列优化特性，实现了刚性分子4-pPy最优的三维排列特性。该方式不仅降低了薄膜分解，而且贡献了杰出的光电特性。采用4-pPy刚性分子，实现p-i-n反型平面异质结钙钛矿器件21.12%(认证效率20.2%)的光电转化效率，并展现了杰出的稳定性。

这项工作表明双功能分子调控策略为高效稳定钙钛矿薄膜的设计开辟了新的途径，为未来设计兼具高效且高稳定钙钛矿器件提供了一个具有参考价值的新策略。

该项研究工作近期以“Local nearly non-strained perovskite lattice approaching a broad environmental stability window of efficient solar cells”为题发表于国际期刊《纳米能源》(Nano Energy，2020论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104940)(影响因子 15.548)。第一作者为课题组博士生徐洁同学。董化副教授、吴朝新教授和李璟睿特聘研究员为共同通讯作者。西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。该工作得到自然科学基金委项目的支持。

吴朝新教授团队长期研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如太阳能电池与发光二极管，近期有多项重要成果发表于国际顶级期刊：Joule，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, ACS Energy Letters, Nano Energy等，更多研究内容可参见吴朝新教授主页：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

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