钙钛矿：喝茶，喝出一篇Science！

研究亮点：

1. 茶碱，咖啡因和可可碱可用于钝化钙钛矿表面的缺陷

2. 茶碱分子中N-H和C=O的最佳构型利于降低铅的反位缺陷

3. 茶碱处理后，钙钛矿太阳能电池效率从21%提高到了22.6％。

表面陷阱介导的非辐射电荷复合制约了高效金属卤化物钙钛矿光伏电池的发展。钙钛矿晶格的离子特性通过官能团和缺陷之间的相互作用使分子缺陷钝化方法成为可能。然而，缺乏对分子构型如何影响钝化效果的深入了解，从而对合理的分子设计提出了巨大挑战。

有鉴于此，加州大学洛杉矶分校杨阳教授及其合作者系统地研究了茶碱，咖啡因和可可碱（类似“喝茶”、“喝咖啡”、“吃巧克力”）的不同化学环境的官能团对缺陷钝化的情况。

当分子中N-H和C=O处于最佳构型时，N-H和I之间的氢键形成有助于主要的C=O与Pb（铅）反位缺陷的结合，从而最大化表面缺陷结合。研究结果表明，用茶碱处理的钙钛矿太阳能电池的稳定效率可达到22.6％。

图1.三个表面C=O基团的表面缺陷识别和构造构型不同的化学环境，（A）各种类型的表面缺陷的俯视图。（B）钙钛矿与茶碱，咖啡因和可可碱PbI反位分子表面钝化的理论分子模型。（C）在有或没有小分子处理的情况下，钙钛矿型太阳能电池在反扫J-V曲线。

图2. 表面缺陷与小分子之间相互作用的研究，（A）纯茶碱和茶碱-PbI₂膜的FTIR光谱，（B）纯咖啡因和咖啡因-PbI₂膜，（C）纯可可碱和可可碱-PbI₂膜。（D）没有和有小分子处理的钙钛矿薄膜的PL光谱。（E）钙钛矿型太阳能电池中经过或未经过小分子处理的tDOS。（F）钙钛矿型太阳能电池经过或不经过小分子处理的EIS谱。

图3. 钙钛矿薄膜的特性以及茶碱处理的界面，（A）Pb 4f _7/2和Pb 4f _5/2的XPS光谱。（B）有或没有茶碱处理的钙钛矿薄膜的UPS光谱。（C）AFM和钙钛矿膜经过（右）或不经过（左）茶碱处理的KPFM图像。（D）茶碱处理前后钙钛矿薄膜的时间分辨PL光谱。（E）横截面SEM图以及相应的EBIC图像和线轮廓（右）或不（左）茶碱处理钙钛矿型太阳能电池。

图4. 茶碱处理钙钛矿型太阳能电池的光伏性能和长期稳定性J-V曲线，(A)钙钛矿太阳能电池的效率曲线。（B）钙钛矿太阳能电池的EQE曲线。（C）最佳钙钛矿型太阳能电池的稳定最大功率输出和光电流密度最大功率点随时间的变化。（D）钙钛矿型太阳能电池的PCE分布。（E）封装的钙钛矿太阳能电池的稳定性测试。

总而言之，表面缺陷处的电荷复合会限制钙钛矿太阳能电池的效率，但这些缺陷可通过小分子的结合而钝化。杨阳等人研究了三个这样的小分子-茶碱，咖啡因和可可碱（同时带有羰基和氨基）。对于茶碱，氨基氢与表面碘化物之间的氢键作用使具有铅的反位缺陷的羰基相互作用最优化，钙钛矿太阳能电池的效率从21％提高到22.6％。

 文献链接：

Constructive molecular configurations for surface-defectpassivation of perovskite photovoltaics，Science，2019

DOI: 10.1126/science.aay9698

https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1509