在國內外學術界和產(chǎn)業(yè)的共同努力下，單結有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池的認證效率已經(jīng)超過26%，這充分顯示出鈣鈦礦太陽電池具有很好的應用前景。然而在制備鈣鈦礦薄膜過程中不可避免地會產(chǎn)生大量缺陷，這些缺陷作為非輻射復合中心會影響鈣鈦礦太陽電池的光伏性能。目前有研究將硫脲及其衍生物應用于鈣鈦礦電池，通過調節(jié)鈣鈦礦薄膜的結晶速率和鈍化其結構缺陷，實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜質量和光伏性能的大幅度提高。研究硫脲衍生物異構體的分子構型與鈣鈦礦薄膜質量的內在關系有助于明確分子內各基團對不同缺陷的鈍化效果，為設計具有更加優(yōu)異鈍化性能的新型材料提供借鑒。 近日，陜西師范大學劉治科教授、劉生忠教授和成都理工大學段玉偉副研究員篩選了兩種硫脲衍生物異構體分子來研究分子構型對鈣鈦礦太陽電池性能的影響，明確了不同分子結構對各種缺陷的鈍化效果，篩選出了具有協(xié)同鈍化功能的硫脲衍生物異構體，基于這種新型鈍化材料制備出具有25.71%光電轉換效率和優(yōu)異光照穩(wěn)定性的雜化鈣鈦礦電池，該工作為篩選新型異構體鈍化材料和制備高效鈣鈦礦電池提供了重要方法。
異構體篩選是區(qū)分有機分子中各個官能團具體作用的有效途徑之一，通過研究多種硫脲基有機材料，本文設計合成了[(3,5-二氯苯)氨基]硫脲(標記為A T)和N-(3,5 -二氯苯)肼碳硫酰胺(標記為HB)兩種異構體，揭示了異構化鈍化劑與鈣鈦礦之間的結構-功能-效果之間的關系。 結晶調控：AT/HB分子的加入能夠延緩鈣鈦礦薄膜的結晶過程，提高鈣鈦礦晶粒的取向結晶，其中AT分子的調控作用效果顯著。 促進電荷傳輸：能夠抑制薄膜中的非輻射符合，延長載流子壽命。 釋放殘余應力：由于分子構型上的差異，AT分子能夠將鈣鈦礦薄膜中的殘余拉應力轉變?yōu)閴簯?，提升薄膜的穩(wěn)定性。 相互作用機理：AT/HB分子的加入能夠與鈣鈦礦之間產(chǎn)生較強的配位作用，如胺（-NH）,C=S，可與鈣鈦礦中的欠配位Pb2+及有機陽離子之間產(chǎn)生相互作用，有效鈍化鈣鈦礦薄膜中的缺陷，減少非輻射復合。 DFT計算：AT分子中的N1 + C=S與鈣鈦礦中的欠配位的Pb2+結合，增加了相對應的Pb空位的形成能，降低薄膜中的缺陷密度。 器件光伏性能：研究發(fā)現(xiàn)，在AT/HB分子中，AT分子由于與鈣鈦礦表現(xiàn)出更強的相互作用，有效降低了薄膜中的缺陷并顯著促進了載流子的傳輸。AT分子在最佳摻雜濃度條件下獲得25.71%的光電轉換效率及穩(wěn)定輸出。 促進電荷傳輸：減少器件中的漏電流和串聯(lián)電阻，增大并聯(lián)電阻和內建電場，促進載流子傳輸，降低非輻射復合。 薄膜和器件穩(wěn)定性：AT摻雜的鈣鈦礦薄膜在相對濕度為85%的條件下放置13天，仍能夠保持黑相；在室溫大氣環(huán)境條件下存儲2000小時，AT器件能夠保持其初始效率的82.8%；在N2氛圍，85oC的條件下，AT器件在放置360小時后保持其初始效率的90.0%；封裝的AT器件在一個太陽光下連續(xù)照射1000小時后保持其初始效率的95.2%。 本研究通過篩選硫脲基異構體作為新型添加劑，為制備高效穩(wěn)定的有機無機鈣鈦礦太陽電池提供了一條可行的途徑。 論文信息 25.71?%-Efficiency FACsPbI? Perovskite Solar Cells Enabled by A Thiourea-based Isomer Yong Li, Prof. Yuwei Duan, Prof. Jiangshan Feng, Yiqiao Sun, Ke Wang, Dr. Hongxiang Li, Prof. Huaxin Wang, Prof. Zhigang Zang, Hui Zhou, Dongfang Xu, Meizi Wu, Yongzhe Li, Zhuang Xie, Zexia Liu, Jingyu Huang, Dr. Yao Yao, Prof. Qiang Peng, Prof. Qunping Fan, Prof. Ningyi Yuan, Prof. Jianning Ding, Prof. Shengzhong Liu, Prof. Zhike Liu 文章的第一作者為陜西師范大學博士研究生李永。論文通訊作者為陜西師范大學劉治科教授，劉生忠教授和成都理工大學段玉偉副研究員。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202410378
