德国Christoph J. Brabec教授最新AFM：二维配体对窄带隙Pb/Sn钙钛矿薄膜晶体应力和器件能量损失的影响

第一作者：张开城

通讯作者：张开城*，Larry Lüer*, Christoph J. Brabec*

单位：德国埃尔朗根-纽伦堡大学

钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其卓越的光电特性和基于解决方案的制造的便利性，成为新兴光伏技术的焦点，具有潜力进行商业化。其中，全钙钛矿串联器件，由具有不同能隙（Eg）的子电池组成，是最具有成本竞争力的串联技术的发展方向，前提是能够完全通过溶液加工。然而，全钙钛矿串联器件的溶液加工在实现低成本光伏技术的同时，也面临着管理缺陷的挑战，如点缺陷、杂质、晶界和表面缺陷等。尽管钙钛矿具有一定的缺陷耐受性，但对陷阱诱导的非辐射复合很敏感，而这通常与移动离子的存在有关，这对PSC的器件性能和稳定性不利。因此，缺陷钝化是实现高效且稳定的PSC所必需的，尤其对于作为后电池的混合铅（Pb）和锡（Sn）钙钛矿薄膜来说，晶体缺陷会加速Sn的氧化。因此，钝化和保护策略优化是十分必要的，以防止钙钛矿过度的自掺杂，并更好地控制结晶过程，最大限度地减少VOC（开路电压）损失。

根据先前的研究，倒置p-i-n结构中Pb/Sn钙钛矿的缺陷主要存在于钙钛矿层和电子传输层的体相和界面处。因此，寻找一种能够解决体相和电子传输问题的有效钝化策略，尤其是界面缺陷，对于制造具有长期稳定性且高效的Pb/Sn钙钛矿太阳能电池至关重要。大体积的有机阳离子已广泛应用于作为一价阳离子的替代物，用于形成低维钙钛矿。通过二维添加剂工程可以定制Pb/Sn钙钛矿太阳能电池的光电特性和长期运行稳定性，以适应不同的需求。然而，对于混合Sn/Pb钙钛矿，二维配体和钙钛矿薄膜之间的定量结构特性关系（QSPR）仍有待于深入研究，以进一步提高窄带隙PSC（钙钛矿太阳能电池）的钝化策略的准确性，以实现更高的效率和稳定性。

近日，来自埃尔朗根-纽伦堡大学的Christoph J Brabec教授与华南理工大学的李宁教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Impact of 2D Ligands on Lattice Strain and Energy Losses in Narrow-Bandgap Lead–Tin Perovskite Solar Cells”的文章。该文章研究了二维配体在Pb/Sn PSC中的应变调控和缺陷钝化机制。这些二维配体包括具有长烷基链的电中性阳离子（LAC）、相对较短烷基链的碘酸盐（SAC）及其混合物。研究结果显示，LAC配体有助于松弛钙钛矿薄膜的拉伸应变，而SAC配体会引起应变积累。通过混合LAC/SAC配体，钙钛矿薄膜的拉伸应变可以平衡，从而提高太阳能电池的性能。添加了β-胍基丙酸（GUA）/苯乙胺碘化物（PEAI）的PSC表现出增强的开路电压和填充因子，这归因于减少了体内和界面处的非辐射复合损失。此外，混合二维配体还略微提高了PSC的运行稳定性。该研究揭示了二维配体在应变调控和缺陷钝化方面对于高效稳定的窄带隙PSC的机制。

二维配体在基于Pb/Sn窄带隙钙钛矿中的应变调控和非辐射复合抑制作用。研究发现，具有长烷基链的电中性阳离子与具有短烷基链的碘酸盐的混合物能够平衡整个钙钛矿薄膜中的拉伸应变，从而减小PSCs中从体相和界面处的能量损失。

Impact of 2D Ligands on Lattice Strain and Energy Losses in Narrow-Bandgap Lead–Tin Perovskite Solar Cells

张开城 博士简介：2017年硕士毕业于苏州大学材料与化学化工学部，2018年至今，博士师从埃尔朗根-纽伦堡大学电子与能源技术材料研究所Christoph J. Brabec教授。在国际著名学术期刊Joule, Nature Communications., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Functional Mater., ACS Energy Letters, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文40余篇，被引用14,00 余次，H因子21。

Christoph J. Brabec 教授简介：Christoph J. Brabec教授目前在埃尔兰根-纽伦堡大学（FAU）的材料科学专业担任电子和能源技术材料学院（i-MEET）的院长。于1995年获得奥地利林茨大学物理化学博士学位，并在美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的Alan Heeger小组进行了一段学术访问。他于2001年加入西门子研究实验室（项目负责人），2004年加入Konarka公司（首席技术官），2009年加入爱尔朗根-纽伦堡大学（FAU-材料科学W3教授），2010年至2021年担任巴伐利亚州能源研究中心（ZAE Bayern e.V.）的科学主任和董事会成员，2013年成为纳米结构薄膜跨学科中心（IZNF）的发言人，并于2018年成为于利希研究中心（FZ Jülich）的主任（IEK-11）。2018年，他还被任命为荷兰格罗宁根大学荣誉教授。他的研究兴趣涵盖溶液加工有机、混合和无机半导体器件的各个方面，重点关注光伏和可再生能源系统。他的科学和技术兴趣促成了几家公司的孵化。他发表了约1000篇文章，拥有约100项专利，撰写了多本书和书籍章节，并获得了超过90000次引用。其h指数超过100，并连续多年被汤森路透高被引研究人员（HRC）列为高被引学者。

A stable and sustainable energy supply is the number One concern among our society’s top problems. The next thirty years will show, whether society is able to initiate the urgent transition from a fossil energy supply towards a renewable energy scenario. The challenges for a green, sustainable and renewable energy supply are enormous - an additional production capacity of approx. 10 TW is required within the next 30 years. The progress and success in energy related research will decide whether these 10 TW will come from renewable sources like the sun. Research at i-MEET is concentrated on electronic materials with relevance for energy related devices. Optoelectronic semiconductors for solar cells, lighting applications or high-power circuits are in the focus of the currently 4 research groups at i-MEET.

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