太原理工大学郝玉英/吴宇坤AEM： 揭示聚丙烯腈在极低温度下诱导高效稳定钙钛矿太阳电池的作用机理

第一作者：杨志婷

通讯作者：吴宇坤*，郝玉英*

单位：太原理工大学

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其具有高功率重量比、优异的抗辐射性能、与柔性基底的兼容性等优点在临近空间中展现出巨大的应用潜力，然而PSCs面临着低温循环稳定的挑战。因此深入理解器件在低温下光伏性能的演变规律及其内在机制，并提出解决低温度循环所面临问题的有效策略，对于促进PSCs在近太空应用具有重要的意义。

近日，太原理工大学郝玉英教授团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Revealing the Role of Polyacrylonitrile for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells at Extremely Low Temperatures”的文章。本文深入研究了钙钛矿太阳电池（PSCs）在极低温度下的光伏过程，揭示了PAN作为添加剂的作用机理。研究发现，PAN有效调节了低温下钙钛矿的晶格应力、稳定了钙钛矿晶格结构，因而大幅降低了钙钛矿的相变温度；PAN还提高了钙钛矿的介电性能和离子迁移活化能，有效钝化了低温下钙钛矿缺陷，并增强了低温下介电屏蔽效应，减轻了低温下激子效应，有效提高了低温下载流子的解离、传输、提取和收集能力。基于PAN修饰的器件在150K的温度下获得了24.34%的最大光电转换效率（PCE），并且在120次热循环（290-130K）后仍保持了其初始值的72%。此外，PAN修饰的柔性器件表现出优异的弯折稳定性和热循环稳定性。本文为理解PSCs在极低温度下的光伏行为提供了见解，并展示了PAN添加剂策略在低温下实现高效稳定PSCs的潜力。

通过原位J-V测试获得了钙钛矿太阳电池性能参数随温度的演化规律（图1和图2）。结果表明，抑制JSC和FF在低温下的衰减对于实现低温下高效稳定的PSC至关重要。与对照组相比，PAN修饰的器件在290-90 K温度范围内其性能得到了全面改善，而且PAN的添加延缓了器件性能下降的拐点，显著抑制了JSC和FF在低温下的急剧恶化，缓减了低温下电流迟滞现象，增强了PSCs在低温下运行可靠性和可重复性，在150 K下实现了24.34% 的最大PCE。表明PAN修饰的PSCs在低温环境下具有更大的应用潜力。

本文通过一系列光学/电学表征和分析，揭示了低温下PSCs性能下降的根本原因。在低温过程中，钙钛矿经历了晶格畸变和温度诱导的相变，导致晶格结构和周期排列的破坏，导致钙钛矿介电性能的下降，进而增强了载流子的电离散射、激子效应和激子的自俘获(STEs)，使低温下缺陷辅助的载流子非辐射复合损失加剧，载流子的解离/输运/提取/收集能力下降，这是造成低温下PSCs的JSC和FF下降并最终导致器件光伏性能严重恶化的主要原因。而PAN的引入有效地调控了钙钛矿晶格应力，缓解了温度引起的晶格畸变，延缓了钙钛矿相变温度，有效提高了钙钛矿薄膜在低温下的介电性能，从而增强了介电屏蔽效应；此外，在低温下PAN中的-CN与未配位Pb²⁺之间的相互作用也明显强于AN添加剂，在钝化钙钛矿缺陷中起着更显著的作用；同时PAN抑制了离子的迁移。归因于PAN有益的影响，使低温下载流子的解离/提取/收集/输运能力有效提高，从而提高和稳定了PSCs在低温下的光伏性能。

为了验证PSCs的热循环稳定性，本文对钙钛矿薄膜和器件进行了290 ~ 130 K的温度循环测试，温度间隔为40 K，每个完整循环持续时间为1.35 h。SEM像显示60个温度循环后（7d-f）对照组的钙钛矿膜形貌严重退化，出现了许多由有机成分逸出引起的缺陷孔，而PAN修饰的钙钛矿膜经过变温循环测试后表现出优异的形貌稳定性。此外，PAN修饰器件经过120个温度循环(160 h)后，仍保持了归一化初始PCE的72%，表现出良好的热循环稳定性。

针对空间飞行器对轻质柔性能源系统的迫切需求，本文进一步制备了结构为PET/ITO/SnO2/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Ag的柔性钙钛矿太阳电池(F-PSCs)。结果显示，PAN修饰的 F-PSCs在室温下光电转换效率显著提升，冠军PCE达到了21.57%（对照器件为19.63%）。经过8000次弯曲循环后，PAN修饰器件仍保持了归一化初始PCE的88%。此外，在温度循环测试中，PAN修饰的器件也表现出了出色的稳定性，在经历120个热循环(160 h)后仍保持了归一化初始PCE 的74%。这些结果证实了PAN添加的F-PSCs也具有良好的低温应用前景。

Revealing the Role of Polyacrylonitrile for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells at Extremely Low Temperatures

郝玉英教授简介：工学博士，教授、博导，现任电子信息与光学工程学院院长。主要研究方向：太阳能电池材料与器件。入选山西省学术技术带头人、山西省“333”科学技术人才、山西省教学名师、“三晋英才”拔尖骨干人才。“有机光电转化材料与器件”山西省科技创新团队带头人。兼任山西省物理学会副理事长，山西省光学学会理事。发表SCI 收录论文80余篇, 授权国家发明专利6 项。承担国家自然科学基金面上项目4项、省部级项目10余项，国家科技计划项目（对俄科技合作专项）1项、国家基金委联合基金重点项目1项。获山西省科学技术奖技术发明类二等奖1项，山西省科学技术奖自然科学类二等奖2项。获山西省教学成果奖一等奖3项，二等奖1项。 兼任Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte chemie international edition, Small, Chemical Engineering Journal等学术期刊审稿人。

吴宇坤讲师简介：2012年本科毕业于吉林大学电子科学与技术专业，2017年博士毕业于吉林大学微电子学与固体电子学专业，随后加入太原理工大学物理学院从事教学科研工作。主要从事钙钛矿太阳能电池器件结构设计及机理分析方面的研究工作。在国内外期刊上发表高水平研究论文20余篇。

杨志婷 太原理工大学电子信息与光学工程学院郝玉英教授2021级硕士研究生