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26.32%！Joule刊发乐天钙钛光电与中国科学院化学所合作研究成果

钙钛光电

2024-09-02

导读：上海乐天钙钛光电科技有限公司与中国科学院化学所近期在顶级期刊Joule上联合发表文章，充分体现了院企联合攻关、委托研发、成果转化多种形式合作的优势，充分发挥院企合作对钙钛矿光伏行业创新发展的支撑作用。

金属卤化物钙钛矿材料具有优越的光电性能，有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池已成为下一代光伏应用的有前途的候选者。然而钙钛矿晶格畸变和不同的热膨胀系数，残余拉伸应变阻碍了钙钛矿太阳能电池(PSCs)效率和固有稳定性的提高。近日，中国科学院化学所宋延林、汪洋课题组与东渐集团曹栋强董事长、乐天钙钛光电CEO&CTO魏俊峰博士共同于Joule刊发通过一种简单分子触发应变调节和界面钝化策略，可以通过增强钙钛矿薄膜生长、释放应变和界面钝化来消除残余应力，提高器件性能。

本文提出利用6-溴香豆素-3-羧酸乙酯（BAEE）的环加成反应，消除入射紫外光抑制拉伸应变演化，提高PSCs的效率和稳定性(特别是光稳定性)。同时，BAEE能与NiOx形成强结合，有利于钙钛矿生长和界面缺陷钝化。基于BEAA分子的器件转换效率为26.32%（认证效率26.08%），并且长期稳定(连续365 nm UV照明:在N2中T90 > 110 h，在环境空气中T90 > 6 h；100 mW cm-2连续LED白光照射:T90 > 1000 h)。

（备注：Joule (中文名《焦耳》)是国际一流、具有全球影响力的学术期刊，兼具独特性与前瞻性，主要刊载能源相关领域的研究成果与实践情况，以应对“可持续能源的需求”这一关键性的全球挑战，其内容涵盖广泛，从基础实验室研究到能源转换和储存再到全球层面的影响分析。

Joule已入选SCI、SCIE来源期刊，2023年发布的影响因子为38.6，在中科院分区中位于1区Top，JCR分区位于Q1）

BAEE分子对紫外线的捕获

BAEE分子可以通过捕获紫外光实现环加成和环还原（图1A），其中BAEE分子的光可逆效率是控制钙钛矿残余应变，保护钙钛矿膜免受到紫外光照射和提高PSCs效率的关键。对BAEE分子进行了紫外-可见光谱分析，BAEE分子对紫外光高度敏感，在365 nm照射下实现二聚化，在254 nm短波照射下实现去二聚化（1B），说明其具有在紫外线下实现环加成和环还原反应。

图1

证实BAEE分子对钙钛矿的紫外光保护和应变调节

为证明紫外光保护，测试了对照薄膜和添加BAEE分子的薄膜在进行了365nm紫外光照射下的XRD谱图(图1D、1E)。在365nm紫外线照射下(6小时)，最初的黑色变成黄色。同样，~14.1°的标准峰(001)在紫外线照射 (52小时)后急剧减弱并消失。相反，添加BAEE分子的薄膜仍然表现为α相钙钛矿，这证实了BAEE分子对钙钛矿薄膜的紫外光保护。

使用GIXRD量化钙钛矿薄膜表面的残余应力 (图2A和2B)，通过2θ-sin2φ线性拟合的负斜率显示了对照薄膜和添加BAEE分子的薄膜中的残余拉伸应力(图2C和2D)。添加BAEE分子的薄膜的2θ-sin2φ (K)和拉伸应力(σ) (K: -0.036，σ: 24.3 MPa)的变化比对照薄膜(K: -0.103，σ:69.6 MPa)要小，这有助于提高器件的光伏性能和稳定性。经过30min UV 365nm照射后，添加BAEE分子的薄膜得到了2θ-sin 2φ和拉应力(K: -0.027和σ: 18.2 MPa)的微小变化，优于对照薄膜(K: -0.039和σ: 26.4 MPa)，（图2E、2F）。应变测试结果表明，BAEE分子不仅在热退火过程中释放应变，而且在光照射下抑制应力演化，表现出BAEE中间层对应力的连续调节。添加BAEE分子可以统一化，释放目标样品从底部到顶部的应力分布，增强了性能和稳定性。

图2

此外，通过X射线光电子能谱（XPS）分析，BAEE分子还可以调节NiOx的氧化态，（图3A、3B）。高含量的Ni3+可以诱导形成额外的空穴，降低电阻率，提高氧化镍的导电性。NiOx/BAEE薄膜的Ni3+ /Ni2+比值（2.18）高于对照NiOx膜的Ni3+ /Ni2+比值(1.86)，表明NiOx/BAEE膜的空穴导电性得到提高。图3C和3D也证明了载流子的传输性能增强。

图3

综上所述，利用BAEE触发应变调节和界面钝化策略可以通过增强钙钛矿薄膜生长、释放应变和界面钝化来消除残余应力，提高器件性能。BAEE分子具有光可逆反应，消耗入射的紫外光，释放由光照引起的薄膜拉伸应变，进一步防止钙钛矿膜被紫外光降解，增强稳定性。通过应变调节和缺陷钝化策略，获得了26.32%的PCE(认证效率26.08%)，并在UV 365 nm光照下表现出优异的紫外光稳定性(N2下T90 > 110 h，环境空气中T90 > 6 h)。此外，基于紫外光触发应变调节和缺陷钝化策略的器件在环境空气中100 mWcm-2的白光LED连续照射下保持T90 > 1000 h。该策略提供了一种简单的方法来调节钙钛矿应变，以获得具有优异紫外和长期稳定性的高效PSCs。

上海乐天钙钛光电科技有限公司与中国科学院化学所与自2023年8月合作以来，秉持着开放联合、优势互补、互利共赢的原则，共同开展高效大面积钙钛矿电池制备与产业化，于当年11月共同开发效率26.25%钙钛矿太阳能电池，中国科学院化学所持续为公司的试验线和中试线赋能，近期在顶级期刊Joule上联合发表文章，充分体现了院企联合攻关、委托研发、成果转化多种形式合作的优势，促进中国科学院创新链与企业产业链的紧密结合，充分发挥院企合作对新兴的钙钛矿光伏行业创新发展的支撑作用。