中国人民大学慕成课题组，AFM：利用高分子内封装策略，打造高效、稳定、铅安全的倒置钙钛矿太阳能电池- 大数跨境

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中国人民大学慕成课题组，AFM：利用高分子内封装策略，打造高效、稳定、铅安全的倒置钙钛矿太阳能电池

科学材料站

2024-04-28

导读：中国人民大学慕成课题组， Advanced Functional Materials文章：利用高分子内封装策略，打造高效、稳定、铅安全的倒置钙钛矿太阳能电池

文章信息

高分子内封装制备高效、稳定、铅安全的倒置钙钛矿太阳能电池

第一作者：董宏烨、申贵彬

通讯作者：慕成*

单位：中国人民大学

研究背景

具有高功率转换效率（PCE）的钙钛矿太阳能电池（PSCs）取得了重大进展。然而，潜在的铅泄漏问题对其商业化构成了严峻挑战。该工作通过在钙钛矿/电子传输层界面引入聚乙烯醇缩丁醛（PVB）聚合物，提出了一种方便的内部封装策略。该策略增强了 PSCs 的性能并有效抑制了铅泄漏。引入的PVB层在减少离子迁移、优化能级和防止水分渗透方面起着至关重要的作用。具有PVB修饰的PSCs普遍表现更好，PCE提高到22.47%，滞后减少。此外，这些改进的器件在光浸和热应力下表现出增强的稳定性和抑制的铅泄漏。这种创新方法不仅提高了PSCs的效率，还解决了与铅泄漏相关的挑战，为环境友好和商业上可行的钙钛矿太阳能电池技术铺平了道路。

文章简介

近日，来自中国人民大学的慕成课题组，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Internal Encapsulation Strategy Using a Polymer Enables Efficient, Stable, and Lead-Safe Inverted Perovskite Solar Cells”的研究性文章。该文章针对目前钙钛矿太阳能电池存在的铅泄露和稳定性问题，提出了聚乙烯醇缩丁醛（PVB）对钙钛矿太阳能电池进行内封装的策略，同时对该内封装机理从离子迁移角度提出了解释。

本文要点

图1：a） PVB的分子结构。具有（目标）和不具有（对照）PVB 改性的钙钛矿薄膜的b） Pb 4f 和 O 1s 以及 c） C 1s XPS 光谱。d）和 e）含或不含 PVB 改性的钙钛矿薄膜的 UPS 光谱。f） PSCs的能级图。

要点一：PVB修饰钙钛矿/电子传输层界面

PVB聚合物具有丰富羟基和醚键，将PVB引入钙钛矿太阳能电池钙钛矿/电子传输层界面，PVB中的O可以与钙钛矿中Pb²⁺的配位，有效地钝化未配位的Pb²⁺，从而抑制铅迁移和泄漏。此外，紫外光电子能谱显示PVB修饰后钙钛矿薄膜的费米能级（EF）提高，钙钛矿薄膜的表面变得更加n型，改善了钙钛矿薄膜和电子传输层界面处的能量排列和电荷提取。

图2：a）倒置 PSCs 的示意图。b）对照和 c）目标（有 PVB 修饰）PSC 的J-V曲线。有无PVB修饰的PSCs的d） PCE，e）Voc、f） FF 和 g）JSC统计图。h） PVB修饰后PSCs的 EQE 谱。i）有无PVB修饰的PSCs的稳态输出功率。

要点二：PVB修饰提升倒置钙钛矿太阳能电池光伏性能及载流子动力学

标准光照下，未经修饰的PSCs PCE为19.16%，JSC为 23.27 mA cm⁻²、Voc为1.060 V，FF 0.777。PVB修饰后PSCs的PCE为22.47%，JSC为 23.15 mA cm⁻²、Voc为1.157 V，FF 0.838。改进的开路电压和填充因子可归因于有效的能级对准，以及缺陷的钝化。此外，PVB改性的目标PSCs表现出优异的重复性。进一步地，从载流子动力学角度对器件开路电压和填充因子的提升进行分析，结果显示，PVB修饰加速了电子的提取和转移，并钝化了钙钛矿薄膜表面的缺陷，有效地抑制了界面处陷阱辅助的非辐射复合。

图3：a，c）PL（λex= 475 nm）和 b，d）TRPL光谱。对照和目标PSC的e）TPC和 f）TPV 衰减曲线。g）纯电子器件的SCLC 曲线。h）黑暗条件下J-V 曲线和 i）对照和目标PSC的尼奎斯特图（内部插图是等效电路图）

要点三：稳定性、前泄露及离子迁移讨论

PVB修饰除了改善载流子动力学，提高器件光伏性能外，也有助于提升器件稳定性并抑制铅泄露。使用开路光电压衰减测量研究了离子积累和迁移，结果显示经过PVB修饰后，PSCs的离子迁移显著抑制。总之，PVB界面修饰有效地将钙钛矿薄膜封装在PSC中，从而抑制了水分渗透并抑制了器件内部的离子迁移。这对于抑制PSCs的铅泄露，提升稳定性是有利的，特别是对于光稳定性和热稳定性。

图4：a）对照和b）目标PSCs的接触角。PSCs的长期稳定性 c）储存在45%RH和25°C的空气中，d）在65±5°C的N中加热2无需外部封装。e）在水中浸泡 5 分钟和 20 分钟后，具有（目标）和不具有（对照）PVB 的钙钛矿薄膜的 XRD 光谱。插图是将钙钛矿薄膜浸入水中 20 分钟后的对照和目标钙钛矿薄膜。f）将含和不含 PVB 的钙钛矿薄膜浸入水中 25 分钟后泄漏的铅浓度。对照和目标 PSC 在前 0.1 秒内的 OCVD 动力学，以线性 g）或对数 h）时间坐标显示。i） PVB内部封装示意图。

文章链接

Internal Encapsulation Strategy Using a Polymer Enables Efficient, Stable, and Lead-Safe Inverted Perovskite Solar Cells

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402394

通讯作者简介

慕成教授简介：2000年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，2005年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院，2005-2008北京大学化学与分子工程学院从事博士后研究，2008-2012年在中科院理化技术研究所从事助理研究员工作，2012-2014于香港科技大学化学系从事博士后研究。2016年加入中国人民大学，现为化学与生命资源学院副教授。2014-2016年为北京大学化学与分子工程学院访问学者。2016年加入中国人民大学，现为化学与生命资源学院副教授。长期从事能源材料与器件的研究和开发。研究兴趣包括低维功能纳米材料的合成与光电应用、新型太阳能电池（高分子/钙钛矿）器件结构设计与性能优化及太阳能电池材料的动力学行为。

第一作者简介

董宏烨，2020年本科毕业于中国人民大学化学系，2020年至今在中国人民大学化学与生命资源学院攻读博士研究生，师从慕成教授，从事钙钛矿太阳能电池界面研究。

申贵彬，2017年在郑州大学化学系获得本科学位，2023年在中国人民大学取得了博士学位。目前在新加坡南洋理工大学能源研究中心(ERI@N)及电子电气工程系(EEE)进行博士后研究工作。他的研究领域包括介孔材料的制备、高分子内封装技术、硅/钙钛矿叠层太阳能电池的研发、太空太阳能电池技术的应用，有机电化学晶体管以及机器学习在光伏和有机电化学晶体管领域的应用。