NC：溶有Cl2的氯仿触发的氧化还原反应可实现高性能钙钛矿太阳能电池

第一作者：骆妤婕，刘凯凯

通讯作者：谢立强*，魏展画*

单位：华侨大学

钙钛矿太阳能电池（PSC）中的钙钛矿活性层通常是通过旋涂法制备的，不可避免地存在着晶界和表面缺陷，会直接影响器件性能。在3D钙钛矿表面生长一层2D钙钛矿钝化层被证明是一种有效减少表面缺陷的方法。然而，以前的报道的后处理方法仅能在3D钙钛矿表面上物理沉积一层2D钙钛矿层，钝化剂难以进入薄膜内部，使得薄膜内部的质量无法得到提升。针对上述问题，华侨大学谢立强&魏展画团队原位合成了溶有氯气的氯仿（Cl₂-CF）作为反应型溶剂。Cl₂-CF中的微量的Cl₂具有强氧化性和高迁移性，能够进入3D钙钛矿的薄膜内部，并与钙钛矿中的卤素离子发生氧化还原反应，使钙钛矿晶体重新生长，并促进钝化剂进入薄膜内部，从而同时提升钙钛矿薄膜表面和内部的质量。

近日，来自华侨大学发光材料与信息显示研究院的谢立强副教授与魏展画教授在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Dissolved-Cl₂ triggered redox reaction enables high-performance perovskite solar cells”的研究文章。该文章提出将溶有Cl₂的氯仿作为多功能溶剂，用于同时构建2D/3D钙钛矿异质结并诱导钙钛矿晶粒的二次生长。阐明了Cl₂如何影响钙钛矿太阳能电池性能的机制。具体来说，溶解的Cl₂与3D钙钛矿发生反应，导致Cl/I离子交换和钙钛矿晶粒的奥斯特瓦尔德熟化。生成的Cl^-进一步扩散，钝化钙钛矿太阳能电池的体相和埋底界面。溶解在溶剂中的己基溴化铵与残留的PbI2反应，在表面形成2D/3D异质结。最终，实现了高性能钙钛矿太阳能电池，其冠军效率高达24.21%，并显著提高了热稳定性、环境稳定性和运行稳定性。 

在相对湿度35%的空气中，用氙灯照射新鲜的氯仿（CHCl3，简称CF）来获得溶有Cl₂的氯仿（Cl₂-CF）。Cl₂-CF在330 nm处有一个特征吸收峰为Cl₂。Cl₂-CF中少量的Cl₂会与FAI中的I-发生氧化还原反应，生成的I2将呈现紫红色。Cl₂-CF处理后的钙钛矿薄膜出现了更大尺寸的钙钛矿晶粒。

采用HABr/Cl₂-CF制备的钙钛矿太阳能电池器件比常规器件的缺陷浓度更低。EIS结果显示，HABr/Cl₂-CF有效阻碍电子与空穴之间的复合。TPV结果进一步说明界面复合被极大地抑制。Mott-Schottky分析可知，PVSK-HABr/Cl₂-CF 器件对载流子的分离和输运具有更强的驱动力。TPC测量结果表明PVSK-HABr/Cl₂-CF器件具有最快的载流子提取能力，有利于减小迟滞。PVSK-HABr/Cl₂-CF器件的反向电流密度远低于PVSK和PVSK-HABr/CF器件，表明载流子复合和漏电流得到有效的抑制。

该工作制备了结构为ITO/SnO₂/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Ag 的光伏器件。经过优化后，PVSK-HABr/Cl₂-CF器件的最佳PCE为24.21%（VOC 为1.168 V，JSC 为25.40 mA cm^-2，FF为81.58%），并且具有良好的长期运行稳定性。

“Dissolved-Cl₂ triggered redox reaction enables high-performance perovskite solar cells”

谢立强 华侨大学发光材料与信息显示研究院/材料科学与工程学院副教授，硕士生导师。2017年毕业博士于厦门大学化学系，师从毛秉伟教授和田中群院士。

研究方向为钙钛矿单结太阳能电池和钙钛矿/晶硅硅叠层太阳能电池，已在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等高水平期刊上发表研究论文30余篇，其中第一/通讯作者19篇。获得福建省杰出青年基金和国家自然科学基金面上项目等资助。

魏展画 华侨大学发光材料与信息显示研究院/材料科学与工程学院教授，博士生导师，发光材料与信息显示研究院院长，材料科学与工程学院副院长。

获得中国化学会青年化学奖（2023），全国向上向善好青年（2022年），国家“万人计划”青年拔尖人才（2020），国家百千万人才工程（2019），“有突出贡献中青年专家”等荣誉称号。课题组的主要研究方向是新型能源光电转化材料与器件，主要包括钙钛矿发光二极管、太阳能电池和纳米激光器。已在Nature、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Energy & Environmental Science和Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊上发表研究论文40余篇，其中多篇论文为ESI热点论文或者高被引论文。

骆妤婕  华侨大学材料学院2020级硕士研究生，研究方向为两步法制备单结钙钛矿太阳能电池。

刘凯凯  华侨大学材料学院2019级博士研究生，研究方向为半导体光电材料与器件及其在能源转换中的应用。

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