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中科院化学所Angew：通过原位聚合的双链共聚物网络构建高稳定性和低铅泄露的钙钛矿太阳能电池

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-04-01 07:45

正文

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▲第一作者：马嘉欣

共同通讯作者：杨海霞，杨士勇，王吉政

通讯单位：中国科学院化学研究所

论文DOI：10.1002/anie.202425578 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

本文设计了一种具有光敏特性的多功能添加剂聚酰胺酸酯（PAE），通过紫外线（UV）诱导的原位聚合构建独特的双链共聚物网络。庞大的网络为钙钛矿提供了有效防御，延缓器件老化并最大限度地抑制有毒铅泄漏，实现了26.20%的冠军效率（认证为25.69%）并具有出色的稳定性和铅安全性。

背景介绍

金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其高效、低成本等优点而成为了一种前景广阔的光伏技术。然而，钙钛矿固有的软离子晶格、多重缺陷以及大量的晶界等会加速器件的老化和降解。另外，钙钛矿中有害的铅离子（ Pb ²⁺ ）泄漏对环境和人类健康构成威胁，严重限制了基于钙钛矿的电子产品的广泛应用。因此，开发一种同时提高电池稳定性并降低其毒性的策略迫在眉睫。

近日，中国科学院化学研究所杨海霞、杨士勇和王吉政团队提出了一种通过原位聚合实现双链共聚物网络的策略。利用一种新设计并合成的添加剂聚酰胺酸酯（ PAE ），使其通过紫外诱导的原位聚合构建独特的双链共聚物网络。聚合物链中的多个活性位点可以钝化各种缺陷并增强电荷转移。同时，庞大的共聚物网络为钙钛矿提供了有效的防御，稳定内部结构并同时抵抗恶劣的外部环境，从而延缓器件的老化，并最大限度地抑制有毒铅泄漏。最终实现了高效、稳定和低铅泄漏的钙钛矿太阳能电池。

本文亮点

创新的光敏性聚合物： 设计并合成了一种含氟的聚酰胺酸酯，该结构具有多种官能团，从而在缺陷钝化、应力缓冲等方面发挥多重作用。

双链共聚物网络结构： 通过原位聚合构建了双链共聚物网络，该网络能够有效保护钙钛矿从而提升钙钛矿太阳能电池的稳定性。

低铅泄漏与环境友好性： 该双链共聚物网络能够有效减少铅泄漏的风险，使钙钛矿太阳能电池更加环境友好。

图文解析

作者设计并合成了一种新型氟化 PAE ，其结构包括：（ 1 ）酰胺基团（ -CO-NH- ），可以通过 C=O 与 Pb ²⁺ 的配位键以及 N-H 与 I ^- 的氢键而与钙钛矿晶格相互作用；（ 2 ）醚键（ -O- ），可以增加聚合物链的柔性，使其更容易溶解在钙钛矿前驱体溶液中；（ 3 ）三氟甲基（ -CF ₃ ），氟原子的强电负性可以增强钙钛矿的疏水性，并与未配位的 Pb ²⁺ 相互作用以消除缺陷；（ 4 ）乙烯基（ -C=C- ），赋予 PAE 优异的光敏性，使其能够通过紫外光照射实现原位聚合，从而形成双链共聚物网络，为钙钛矿提供更致密的保护，有助于提高钙钛矿的稳定性并抑制铅泄漏。

PL 、 PL mapping 和 TRPL 的结果表明，经过双链共聚物网络处理的钙钛矿薄膜具有更长的载流子寿命和更少的非辐射复合。同样， fs-TA 的结果表明，优化后的薄膜载流子扩散能力得到明显改善，同时非辐射复合显著减少。

作者利用原位 PL 监测了钙钛矿成核和结晶的过程，证明了加入 PAE 并原位聚合后的钙钛矿能够更快地成核并更加缓慢地结晶，这归因于 PAE 分子结构中的多种官能团能够与 PbI ₂ 发生强相互作用，从而引发快速成核并减缓了 FAPbI ₃ 晶体的形成。

最终，经过双链共聚物网络处理后的钙钛矿太阳能电池实现了 26.20% 的光电转换效率（认证效率为 25.69% ），同时表现出优异的稳定性和显著降低的铅毒性。其中，未封装的器件能够抑制 80% 的铅泄漏，封装的器件在湿热环境（ 65 °C 和 85% 相对湿度）下保存 1000 小时后仍能保持初始效率的 93% 。

总结与展望

本工作设计并合成了一种新型添加剂聚酰胺酸酯（ PAE ），并将其加入到钙钛矿前体溶液中，以实现高稳定性和铅安全性的钙钛矿太阳能电池。通过紫外光诱导实现 PAE 的原位聚合，从而形成双链共聚物网络。该网络对钙钛矿实现更加致密的保护，有效提高了器件稳定性并抑制有毒铅泄漏。最终，经过双链共聚物网络处理后的钙钛矿太阳能电池实现了 26.20% （经认证为 25.69% ）的光电转换效率，并具有出色的稳定性和显著抑制的铅毒性。在湿热环境（ 65°C 和 85% 相对湿度）中，未封装的器件抑制了 80% 的铅泄漏，封装的器件在 1000 小时后仍保持 93% 的初始效率。这一策略为制备高效、稳定且环境友好的钙钛矿太阳能电池提供了一条可行的路径。

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