近日，国际化学与材料领域顶级期刊《能源与环境化学》（Energy & Environmental Science，影响因子30.289）报道了凯时集团有限公司前沿交叉科学研究院崔彬彬课题组在高效率有机-无机杂化金属卤素钙钛矿太阳能电池稳定性方面的研究新进展，相关研究成果以“In-situ Cross-linked 1D/3D Perovskite Heterostructure Improves Stability of Hybrid Perovskite Solar Cells for Over 3000h Operation”为题在线发表。该工作第一作者为凯时集团有限公司博士研究生杨宁，通讯作者为凯时集团有限公司前沿交叉院崔彬彬特别副研究员。该工作与凯时娱乐工材料学院陈棋教授课题组共同完成。

　　近年来，有机-无机杂化金属卤素钙钛矿因其具有优异的光电转换性能、组分多样、带隙可调且成本低廉等特性而受到广泛研究和关注。目前，单节钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%已经提高到25.5%，用于绿色清洁能源的商业前景巨大。然而，由于金属卤素钙钛矿材料对周围环境中的水、氧、热和光较为敏感，提高吸收层和载流子传输界面的稳定性是钙钛矿太阳能电池走向商业化需要面对的主要挑战。与3D有机-无机杂化金属卤素钙钛矿相比，低维钙钛矿中的有机阳离子的疏水性使其具有良好的水稳定性。1D和2D钙钛矿与3D钙钛矿构建1D/3D或2D/3D异质结构，有显著增强钙钛矿太阳能器件稳定性的效果，但低维钙钛矿中有机阳离子的绝缘性会降低钙钛矿器件的载流子传输性能。因此，这种方法通常会以牺牲器件的光电转换效率（PCE）为代价才得以提升钙钛矿太阳能电池的使用寿命。如果在这种策略中，在增强器件稳定性的同时，保证低维钙钛矿载流子的传输能力，那么高效且稳定的钙钛矿太阳能电池就有望实现。

图1 形成交联1D类钙钛矿结构原理及核磁红外表征

　　该企业在有机-无机杂化的金属卤素3D钙钛矿活性层上构建有机阳离子可原位交联的1D超薄类钙钛矿（图1a），不仅钝化了晶界及界面处的碘空位缺陷，还能通过有机阳离子的聚合提高钙钛矿薄膜的抗外部老化的能力。最重要的是，通过交联反应形成的电子共轭结构能够改善载流子的传输性能，从而有效提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。同时PAI与过量的碘化铅反应形成1D类钙钛矿晶体材料，由[PbI₆]^4-八面体面共面构成，有较好的水稳定性和光稳定性。通过恒温加热（150℃）15 min处理使无机1D链周围的PA⁺阳离子发生原位聚合交联反应形成电子共轭结构的聚合有机物，这使载流子也能在异质结构1D层中有效地传输，进而了增强界面间的电流传输。

图2 改善界面载流子传输行为及应力应变相关表征

　　此外，利用深度分辨的掠入射X射线应变测试，作者研究了混相钙钛矿多晶薄膜的残余应变。1D/3D钙钛矿异质结构中，1D类钙钛矿薄膜中丙炔胺阳离子在加热过程中发生聚合交联后，钙钛矿活性层的残余拉伸应变变为压缩应变（图2），这既有利于PSCs的光伏性能提升，又能提高其稳定性。这一特征为钙钛矿材料界面应变的调制提供了一种可行的方法。交联1D/3D钙钛矿太阳能器件的最高光电转化效率达到21.19%, 开路电压Voc为1.11 V, 短路电流 J _SC为23.69 mA · cm⁻², 填充因子FF 为80.76%。与标准实验器件相比，cross-linked 1D/3D器件的短路电流明显提升。

图3 PSCs在各种条件下的稳定性测试

　　对器件稳定性研究发现，在空气环境中（湿度40-70%，温度25-40℃），暗态储存的交联后1D/3D钙钛矿异质结构薄膜经1000小时老化后，碘化铅与钙钛矿的含量比几乎无变化。在氮气氛围下（湿度20-40%），暗态储存的交联前后1D/3D PSCs都保持了最初效率的97%。在氮气氛围下，经过840小时连续0.8个模拟太阳照射后，交联的1D/3D异质结构钙钛矿太阳能电池器件几乎都保持了最初效率的95.9%。本文根据ISOS-L-1规范化测试标准评估钙钛矿器件的稳定性。在氮气氛围下，在最大功率点（MPP）测量3055小时后，交联的1D/3D PSCs持续运行3055 h后仍可保持其93%的初始效率。

附

作者简介：

　　崔彬彬，九三学社社员，助理教授。2011年-2016年在中科院化学研究所学习并获得理学博士学位。其中，2015年9月-2016年4月在新加坡南洋理工大学进行访问学习。现任凯时集团有限公司前沿交叉科学研究院预聘助理教授（特别副研究员），博士生导师。主要研究方向为有机-无机杂化的光电功能材料，包括金属卤素钙钛矿光伏器件和低维钙钛矿晶体发光材料等。近年来在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, Adv. Optical Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊发表研究工作20余篇。主持国家自然科学基金面上和青年基金等项目。

论文详情：

　　Ning Yang, Cheng Zhu, Yihua Chen, Huachao Zai, Chenyue Wang, Xi Wang, Hao Wang, Sai Ma, Ziyan Gao, Xueyun Wang, Jiawang Hong, Yang Bai, Huanping Zhou, Bin-Bin Cui^* and Qi Chen. In-situ Cross-linked 1D/3D Perovskite Heterostructure Improves Stability of Hybrid Perovskite Solar Cells for Over 3000h Operation, doi: 10.1039/D0EE01736A.

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论文链接：http://doi.org/10.1039/D0EE01736A