論文DOI：10.1021/jacs.1c07518低溫溶液法制備的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池近十余年來(lái)得到快速發(fā)展，小面積電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)接近硅電池的最高效率，然而隨著鈣鈦礦薄膜面積增大，晶界處缺陷增多，進(jìn)而影響器件效率與穩(wěn)定性。因此晶界修飾對(duì)于大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。蘭州大學(xué)曹靖課題組在鈣鈦礦薄膜晶界處原位修飾氨基卟啉自組裝超分子，在超分子與鈣鈦礦晶粒界面處，氨基卟啉配合物分子與鈣鈦礦中的有機(jī)陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng)，生成的銨基卟啉配合物有效的修飾鈣鈦礦晶粒表面，鈍化缺陷，實(shí)現(xiàn)電荷的有效提?。贿策越M裝超分子實(shí)現(xiàn)空穴的快速傳輸，從而實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦晶界電荷的有效提取和傳輸。最終組裝的活性面積為1 cm2的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件獲得了22.8%的效率，相應(yīng)的電池器件經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證得到22.1%的效率。相關(guān)成果在線發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.（DOI:10.1021/jacs.1c07518)。近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得到快速發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)從最初的3.8%迅速提升至25.5%，接近單晶硅太陽(yáng)能電池。低溫溶液法制備的鈣鈦礦薄膜不可避免的產(chǎn)生晶界，隨著薄膜面積增加，晶界缺陷增多，進(jìn)而影響器件的性能和穩(wěn)定性。有效的鈍化晶界缺陷對(duì)于提高大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在鈣鈦礦中引入聚合物或者有機(jī)分子作為鈍化劑可以有效的鈍化晶界缺陷，然而常用的鈍化劑本質(zhì)上是絕緣的并限制載流子的傳輸。卟啉及其衍生物具有優(yōu)異的電荷傳輸能力，被認(rèn)為是鈣鈦礦晶界的潛在鈍化劑，但在鈍化鈣鈦礦晶界的同時(shí)實(shí)現(xiàn)空穴有效傳輸仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。蘭州大學(xué)曹靖課題組近年來(lái)研究工作主要集中在：新型卟啉/酞菁類配合物實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件組裝。通過金屬卟啉/酞菁配合物修飾鈣鈦礦策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦薄膜有效封裝，為制備高效穩(wěn)定大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件提供良好的研究基礎(chǔ)（CCS Chem., 2021, 3, 25; CCS Chem., 2020, 2, 488; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6345; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11577）；通過配合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了金屬有機(jī)化合物非摻雜空穴傳輸材料鈣鈦礦太陽(yáng)能電池21.23%記錄效率（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 6294；Adv. Mater., 2018, 30, 1800568）。近日，該課題組在鈣鈦礦薄膜晶界處原位修飾氨基卟啉自組裝超分子，在超分子與鈣鈦礦晶粒界面處，氨基卟啉配合物分子與鈣鈦礦中的有機(jī)陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng)，生成的銨基卟啉配合物有效的修飾鈣鈦礦晶粒表面，鈍化缺陷，實(shí)現(xiàn)電荷的有效提??；卟啉自組裝超分子實(shí)現(xiàn)空穴的快速傳輸，加快了鈣鈦礦晶界電荷的有效提取和傳輸。最終組裝的活性面積為1 cm2的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件獲得了22.8%的效率，相應(yīng)的電池器件經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證得到22.1%的效率。
表征分析：
XRD測(cè)試證實(shí)在鈣鈦礦薄膜中原位形成卟啉自組裝超分子結(jié)構(gòu)。
卟啉自組裝超分子有效修飾在鈣鈦礦薄膜晶界處；在超分子與鈣鈦礦晶粒界面處，氨基卟啉配合物分子與鈣鈦礦中的有機(jī)陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng)，生成的銨基卟啉配合物有效的修飾鈣鈦礦晶粒表面。
Ni卟啉自組裝超分子與鈣鈦礦晶粒界面處的銨基卟啉配合物有效的修飾鈣鈦礦晶粒表面，實(shí)現(xiàn)電荷的有效提?。贿策越M裝超分子實(shí)現(xiàn)空穴的快速傳輸，加快了鈣鈦礦晶界電荷的有效提取和傳輸。一系列實(shí)驗(yàn)表征證實(shí)：相對(duì)于其他金屬卟啉自組裝超分子，Ni卟啉自組裝超分子層的引入可以實(shí)現(xiàn)空穴的有效的提取和傳輸。基于Ni卟啉自組裝超分子修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了24.2%的器件效率（經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證得到23.7%的效率），組裝的活性面積為1 cm2的大面積電池器件實(shí)現(xiàn)了22.8%的效率（經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證得到22.1%的效率）。此外，由于卟啉自組裝超分子具有優(yōu)異的疏水性能以及化學(xué)穩(wěn)定性，組裝的電池器件表現(xiàn)出非常優(yōu)異的水、熱、光穩(wěn)定性，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了研究基礎(chǔ)。發(fā)展了一種卟啉自組裝超分子修飾鈣鈦礦薄膜晶界新方法，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件組裝。該工作以“Grain Boundary Engineering with Self-Assembled Porphyrin Supra-molecules for Highly Efficient Large-Area Perovskite Photovoltaics”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. （DOI:10.1021/jacs.1c07518）上，第一作者為蘭州大學(xué)方子涵、上海交通大學(xué)王露遙、蘭州大學(xué)穆希皎以及加拿大多倫多大學(xué)陳斌，通訊作者為蘭州大學(xué)曹靖研究員。曹靖，研究員，博士生導(dǎo)師，博士畢業(yè)于廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，導(dǎo)師：鄭南峰教授。2017年10月加入蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。獲得中國(guó)化學(xué)會(huì)2018-2020年度“青年人才托舉工程”托舉人才項(xiàng)目以及甘肅省青年科技人才托舉工程項(xiàng)目資助。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上以及青年基金各一項(xiàng)。研究方向主要集中在：新能源材料的設(shè)計(jì)合成以及光伏應(yīng)用研究（主要是染料敏化太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池）。目前以通訊作者在CCS Chem., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文30余篇。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07518
