武汉理工大学钟杰教授，EES观点：催化结晶α-FAPbI3制备高性能无反溶剂钙钛矿太阳能电池制备

第一作者：吴正哲、蔡浩宇

通讯作者：钟杰

单位：武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室

甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI₃）具有出色的热稳定性和相对较窄的带隙（1.48eV），已成为高性能钙钛矿太阳能电池最有前途的材料之一。无反溶剂制备钙钛矿太阳能电池适于印刷放大，具有很高应用优势。不使用反溶剂或者真空抽气等方法制备钙钛矿薄膜难点在于溶剂除去速率慢，难以精准控制钙钛矿成核结晶以获得高质量α-FAPbI₃薄膜。目前常用策略是构建中间相过渡，转化形成α-FAPbI₃薄膜。本工作首先提出了一种α-FAPbI₃钙钛矿的催化结晶策略，利用三元环生物碱添加剂秋水仙碱（Ch）促进直接生成α-FAPbI₃，避免生成δ-FAPbI₃和其他中间相，获得了高性能的无反溶剂钙钛矿太阳能电池。

近日，来自武汉理工大学的钟杰教授，在国际知名期刊Energy & Environmental Science 上发表题为“The tricyclic alkaloid catalyzed crystallization of α-FAPbI₃for high performance antisolvent-free perovskite solar cells”的文章。该文章提出了一种α-FAPbI₃钙钛矿的催化结晶策略，利用三元环生物碱添加剂秋水仙碱（Ch）来获得高性能的无反溶剂钙钛矿太阳能电池。Ch和钙钛矿之间的相互作用及原位分析表明，Ch三元环上的不同官能团与钙钛矿前驱体溶液存在特异性结合，与常规路线中生成δ-FAPbI₃和其他中间相相比，Ch 催化了α-FAPbI₃的直接形成。此外，Ch分子原位钝化晶界，并显著减少了催化结晶过程中产生的缺陷。因此，钙钛矿太阳能电池的效率高达25.06%，未封装器件在85℃下超过1500小时仍能保持初始效率的83.6%，在最大功率点跟踪 450 小时后仍能保持初始效率的 87.6%。

该工作中，作者通过理论计算模拟和实验表征表明，Ch的加入改变了钙钛矿前驱体溶液中PbI₂和FAI之间的相互作用，Ch（-CONH-）和Pb²⁺之间形成了强烈的配位相互作用，Ch（C=O）和FA⁺之间形成了氢键，以及Ch（-NH-）和I-之间形成了氢键。这写作用起到调节钙钛矿薄膜成核结晶过程，同时有望在薄膜中减少未配位的Pb²⁺和卤素缺陷，提升了钙钛矿薄膜的质量。

通过原位光学显微镜、原位UV-vis 吸收光谱和原位XRD来监测从前驱体溶液到钙钛矿薄膜的过程。对比参照样品，催化结晶过程未观察到碘化铅和δ-FAPbI₃的相变，表明Ch的加入显著促进α-FAPbI₃钙钛矿相形成，实现无中间相过渡α-FAPbI₃直接成核和结晶。此外，残留的Ch分子仍然可以作为缺陷的钝化剂存在，并抑制后续PbI₂颗粒的形成，从而极大地提高了FAPbI₃钙钛矿薄膜的质量。

残留的秋水仙碱存在于钙钛矿的晶界处，钝化晶界，降低薄膜缺陷。通过UPS、XRD、PL、TRPL、SCLC等一系列表征，说明了Ch的存在能提高钙钛矿薄膜中载流子的传输速率和输运时间，有效抑制了深层缺陷引起的非辐射复合，同时改善了能级对准，有利于钙钛矿到HTL的空穴提取和传输，从而提高器件性能。

以三元环生物碱秋水仙碱作为添加剂的钙钛矿太阳能电池，研究了其光伏性能和稳定性。无反溶剂制备的钙钛矿太阳能电池成功获得了25.06%的最高效率。此外，基于Ch的未封装的器件在氮气环境、85℃下放置1500小时仍然保持初始PCE的83.6%；封装器件在连续AM1.5G照明下进行MPP跟踪，450小时后仍保持归一化初始PCE的87.6%，表现出良好的稳定性。

Wu Z, Cai H, Wu T, et al. The tricyclic alkaloid catalyzed crystallization of α-FAPbI₃for high performance antisolvent-free perovskite solar cells [J]. Energy Environ Sci, 2024.

钟杰教授简介：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员，博士生导师。从事新型光电功能材料及薄膜器件制备研究，开发面向可印刷、低成本的下一代高效稳定钙钛矿光伏技术，推进其产业化应用。发表相关论文80余篇；申请第一发明人专利15项，授权7项，成果转化5项；主持国家自然科学基金，科技部重点研发课题等项目10余项。

吴正哲：2022级硕士研究生，蔡浩宇，2021级博士研究生

http://sklwut.whut.edu.cn/rcdw/yjry/202009/t20200927_878630.shtml

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