金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池因其高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)而成為了一種前景廣闊的光伏技術(shù)。然而，鈣鈦礦固有的軟離子晶格、多重缺陷以及大量的晶界等會加速器件的老化和降解。另外，鈣鈦礦中有害的鉛離子（Pb2+）泄漏對環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅，嚴(yán)重限制了基于鈣鈦礦的電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)一種同時(shí)提高電池穩(wěn)定性并降低其毒性的策略迫在眉睫。
近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所楊海霞、王吉政和楊士勇團(tuán)隊(duì)提出了一種通過原位聚合實(shí)現(xiàn)雙鏈共聚物網(wǎng)絡(luò)的策略。利用一種新設(shè)計(jì)并合成的添加劑聚酰胺酸酯（PAE），使其通過紫外誘導(dǎo)的原位聚合構(gòu)建獨(dú)特的雙鏈共聚物網(wǎng)絡(luò)。聚合物鏈中的多個(gè)活性位點(diǎn)可以鈍化各種缺陷并增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移。同時(shí)，龐大的共聚物網(wǎng)絡(luò)為鈣鈦礦提供了有效的防御，穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)并同時(shí)抵抗惡劣的外部環(huán)境，從而延緩器件的老化，并最大限度地抑制有毒鉛泄漏。最終實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定和低鉛泄漏的鈣鈦礦太陽能電池。
作者設(shè)計(jì)并合成了一種新型氟化PAE，其結(jié)構(gòu)包括：（1）酰胺基團(tuán)（-CO-NH-），可以通過C=O與Pb2+的配位鍵以及N-H與I-的氫鍵而與鈣鈦礦晶格相互作用；（2）醚鍵（-O-），可以增加聚合物鏈的柔性，使其更容易溶解在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中；（3）三氟甲基（-CF3），氟原子的強(qiáng)電負(fù)性可以增強(qiáng)鈣鈦礦的疏水性，并與未配位的Pb2+相互作用以消除缺陷；（4）乙烯基（-C=C-），賦予PAE優(yōu)異的光敏性，使其能夠通過紫外光照射實(shí)現(xiàn)原位聚合，從而形成雙鏈共聚物網(wǎng)絡(luò)，為鈣鈦礦提供更致密的保護(hù)，有助于提高鈣鈦礦的穩(wěn)定性并抑制鉛泄漏。 PL、PL mapping和TRPL的結(jié)果表明，經(jīng)過雙鏈共聚物網(wǎng)絡(luò)處理的鈣鈦礦薄膜具有更長的載流子壽命和更少的非輻射復(fù)合。同樣，fs-TA的結(jié)果表明，優(yōu)化后的薄膜載流子擴(kuò)散能力得到明顯改善，同時(shí)非輻射復(fù)合顯著減少。 作者利用原位PL監(jiān)測了鈣鈦礦成核和結(jié)晶的過程，證明了加入PAE并原位聚合后的鈣鈦礦能夠更快地成核并更加緩慢地結(jié)晶，這歸因于PAE分子結(jié)構(gòu)中的多種官能團(tuán)能夠與PbI2發(fā)生強(qiáng)相互作用，從而引發(fā)快速成核并減緩了FAPbI3晶體的形成。 最終，經(jīng)過雙鏈共聚物網(wǎng)絡(luò)處理后的鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了26.20%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證效率為25.69%），同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和顯著降低的鉛毒性。其中，未封裝的器件能夠抑制80%的鉛泄漏，封裝的器件在濕熱環(huán)境（65 °C和85%相對濕度）下保存1000小時(shí)后仍能保持初始效率的93%。這一策略為制備高效、穩(wěn)定且環(huán)境友好的鈣鈦礦太陽能電池提供了一條可行的路徑。 論文信息 Double-Chain Copolymer Network via In Situ Polymerization Enables High-Stability and Lead-Safe Perovskite Solar Cells Jiaxin Ma, Shengnan Fan, Cong Shao Lizhe Wang, Yuan Dong, Guosheng Niu, Zongxiu Nie, Shiyong Yang, Jizheng Wang, Haixia Yang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202425578
