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陕师大刘治科Angew：效率飙升至26.47%！FACsPbI₃钙钛矿太阳能电池‘量身打造’高极性界面材料

发表时间：2025-04-24 13:42

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主要内容：

设计兼具上界面结晶调控、界面缺陷钝化及界面能级调节等多功能的新型界面材料，对于开发高效稳定的钙钛矿太阳能电池（PSCs）至关重要。在此，陕西师范大学刘治科教授带领其团队开展深入研究，成功合成了一种高极性界面材2-cyano-N,N,N-trimethylammonium bromide (CNCB)，并将其应用于修饰钙钛矿太阳能电池中SnO₂与钙钛矿之间的埋底界面。

团队从理论和实验两个维度进行了全面探究。在理论方面，通过密度泛函理论（DFT）计算等手段，深入剖析了CNCB与钙钛矿前驱体、SnO₂以及钙钛矿表面的相互作用机制；在实验方面，采用多种表征技术，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等，系统研究了CNCB对钙钛矿薄膜结晶过程、界面缺陷以及电荷传输性能的影响。

研究结果表明，CNCB能与钙钛矿前驱体（PbI₂和FAI）相互作用，调控结晶动力学过程，促使生成具有择优取向且缺陷减少的钙钛矿薄膜。具体而言，CNCB的引入改变了前驱体的成核和生长速率，使得钙钛矿晶体沿着特定方向生长，从而提高了薄膜的结晶质量。同时，CNCB可与SnO₂和钙钛矿表面发生化学相互作用，有效钝化SnO₂中的氧空位以及钙钛矿埋底表面配位不足的Pb²⁺缺陷。这种缺陷钝化作用降低了界面处的非辐射复合中心，减少了载流子的复合损失。此外，CNCB的高偶极矩会引发有利的界面极化，优化能级匹配并抑制非辐射复合，进一步提高了电荷的分离和传输效率。

经CNCB修饰的FACsPbI₃钙钛矿太阳能电池实现了26.47%的高效光电转换效率，并具有出色的运行稳定性。在连续1个太阳光强照射1000小时后，电池仍能保持初始效率的87.14%，展现出良好的抗光衰性能。

从机理层面深入分析，实验和理论分析表明：

1）CNCB的阳离子氮原子与SnO₂发生路易斯酸碱相互作用，有效钝化了与锡（Sn）相关的缺陷；

2）强电负性的C≡N基团与钙钛矿埋底界面处配位不足的Pb²⁺配位，抑制了与铅（Pb）相关的缺陷；

3）CNCB具有超高偶极矩（μ = 5.32 Debye），可产生强大的界面电场，增强电荷提取和传输动力学。

本研究不仅确立了CNCB作为一种多功能界面修饰剂的地位，还为钙钛矿光电器件（包括发光二极管和光电探测器）中的多功能材料提供了分子设计蓝图。刘治科教授团队此次工作为钙钛矿光电领域中的多功能界面材料设计树立了分子设计范式，凸显了结晶调控、缺陷钝化以及偶极工程在高性能器件中的协同作用。该研究成果有望推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程，为解决全球能源问题提供新的思路和方法。

文献信息：

Meticulous Design of High-Polarity Interface Material for FACsPbI3 Perovskite Solar Cells with Efficiency of 26.47%

Yongzhe Li, Linlin Dong, Yan Cai, Yong Li, Dongfang Xu, Hongjie Lei, Nan Li, Zihao Fan, Jieke Tan, Rui Sun, Borui Wang, Jinyun Gong, Zilu Lin, Kunpeng Guo, Xuexia He, Zhike Liu

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202504902