【背景介绍】
钙钛矿太阳能电池以其高效能和低成本在光伏技术领域中迅速崛起。然而，其稳定性问题仍然是限制其商业化应用的主要障碍。钙钛矿材料中的有机阳离子在环境应力（如高温、高湿度）下容易发生逃逸，导致化学计量失衡，从而影响器件的效率和长期稳定性。传统策略如引入氢键或交联聚合物虽有所帮助，但在恶劣的环境条件下保护效果有限，且这些结构主要集中于晶界或钙钛矿薄膜表面，而钙钛矿薄膜埋底界面的稳定性尚未得到有效解决。因此，亟需一种全面的解决方案，稳定薄膜埋底界面并牢固结合钙钛矿中的有机成分，以减少性能退化，提高钙钛矿太阳能电池及组件的效率和长期稳定性。
【工作简介】
为攻克上述难题，南方科技大学丘龙斌助理教授、哈尔滨工业大学（深圳）何思斯教授、南方科技大学Aung Ko Ko Kyaw副教授等人提出了一种仿生“种子生根”策略，通过利用巯基功能化粒子作为“种子”，并在钙钛矿层底部引发2,2,3,4,4,4-六氟丁基甲基丙烯酸酯进行原位聚合，从而来提高钙钛矿的稳定性。这一策略类似于种子在土壤中扎根以防止水土流失，有效地抑制了钙钛矿中有机阳离子的逃逸，从而显著提升了钙钛矿太阳能组件的效率和稳定性。相关研究成果以“In-situ Polymerization Induced Seed-Root Anchoring Structure for Enhancing Stability and Efficiency in Perovskite Solar Modules”为题，发表在Angewandte Chemie International Edition上。
【内容表述】
种子生根结构的机制与效果
图1.（a）种子生根保护土壤策略示意图。（b）和（c）对照组钛矿薄膜在150 °C的真空条件下加速老化1 h之前和之后的示意图。（d）种子生根锚定策略示意图。（e）具有种子生根结构的钙钛矿薄膜在真空加热后的示意图。（f）具有种子生根结构的器件结构示意图。（g）和（h）有机分子和钙钛矿表面之间的吸附能。
在自然界中，没有根系的种子不能稳固土壤结构，而只有根系发达的种子才能有效地保护土壤结构不被侵蚀。同样，我们的实验结果表明，单独使用硫醇功能化粒子（SiO2-SH）作为“种子”并不能充分抑制加热条件下有机阳离子的迁移或蒸发，从而导致埋底界面处孔洞的形成。当2,2,2-甲基丙烯酸三氟乙酯（TFMA）作为“根”引入时，有机阳离子的蒸发虽然被抑制，但是效果有限。相反，以较高F含量的2,2,3,4,4,4-六氟丁基甲基丙烯酸酯（HFMA）为根，有机阳离子的蒸发被显著抑制，初步证明了种子生根结构有效地增强了钙钛矿的热稳定性。因此，种子生根结构合理地被选择为稳定钙钛矿太阳能电池及组件（PSCs及PSMs）的结构。
图2.（a）MAI/FAI、MAI-TFMA/FAI-TFMA和MAI-HFMA/FAI-HFMA的1H NMR（在DMSO-D6中）。（b）不同钙钛矿底部的N 1s谱。（c）钙钛矿粉末在150 °C煅烧约1 h后的TGA。（d）不同钙钛矿薄膜在150 °C真空下1 h加速老化的原位XRD。（g、h和i）不同钙钛矿薄膜在150 °C真空加速老化1 h下原位XRD的初始和最终扫描曲线。为了阐明种子生根结构中“根”和钙钛矿之间的相互作用，我们进行了DFT、1H NMR和XPS实验。实验结果表明，TFMA或HFMA中的F原子与钙钛矿中的有机阳离子之间存在强氢键，并且随着侧链中F含量的增加，有机阳离子与钙钛矿的结合能增大，表明种子生根结构增强了有机阳离子的稳定性和结合强度。此外，TGA和原位真空加热老化XRD显示，具有种子生根结构的钙钛矿薄膜在高温下表现出更好的耐高温性。图3.（a）相应PSCs的SCLC图。（b）相应PSCs的奈奎斯特图。（c）相应PSCs的瞬态光电压。（d）相应PSCs的莫特-肖特基曲线图。（e）相应PSCs在不同电压下的EQEEL。（f）相应PSCs的能量损失。（g）相应PSCs在不同光强下的VOC。（h）FF对应相应PSCs的Shockley-Queisser极限。（i）相应PSCs的Arrhenius图。为了进一步阐明种子生根结构对PSCs性能的影响，我们研究了有无种子生根结构的界面电子性质。通过各种表征手段发现，种子生根结构的引入降低了器件的陷阱态密度、抑制了非辐射复合的发生，从而提高了电荷传输效率。此外，我们还发现随着侧链中F含量的增加，进一步增强了内置电场，从而有望进一步提升器件性能。图4.（a、b）不同钙钛矿薄膜在200和500 nm深度的残余应力。（c）不同钙钛矿薄膜在65%相对湿度条件下放置24 h后的XRD。（d）对照组和目标组的PSMs的J-V曲线。（e）基于对照组和目标组的PSMs稳定功率输出。（f）PSM封装后（对照组和目标组）在65 °C连续光照下的运行稳定性。为了进一步研究种子生根结构对钙钛矿薄膜稳定性的影响，我们对薄膜埋底界面处的残余应力进行了分析。实验结果表明种子生根结构有助于钙钛矿薄膜残余应力的释放。此外，实验还显示，种子生根结构随着侧链中F含量的增加，薄膜稳定性也得到增强。最终，我们成功制备了具有25.64%效率的PSC（有效面积为0.1 cm2），22.61%效率的PSM（有效面积为22.40 cm2）。此外，在65 °C、85%相对湿度下，经过1300 h的连续光照稳定性测试后，仍能保持初始效率的90%以上，显示出显著的长期运行稳定性。在这项研究中，我们提出了种子生根结构，以应对PSCs和PSMs在环境压力下的有机阳离子损失问题。证实了种子生根结构通过与有机阳离子形成强氢键，有效防止这些有机阳离子在热老化过程中的损失。研究还表明，种子生根结构使得钙钛矿埋底界面的微应变得到了释放，进而使得器件表现出更好的长期稳定性和性能。这一策略为提升PSCs和PSMs的性能和耐久性提供了新的思路，并为其商业化应用奠定了基础。南方科技大学助理教授，博士生导师。2016年于复旦大学获得高分子物理与化学专业博士（导师：彭慧胜院士），后于日本冲绳科学与技术大学（合作导师：戚亚冰教授）开展博士后工作，现为南方科技大学机械与能源工程系副研究员，博士生导师。2021至2024年度入选斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。主要研究领域为新型低成本光伏材料，及大面积光伏模组、可穿戴能源等器件的界面电荷分离、传输与复合机制等方面的研究，解决低成本高效率光伏器件在环境安全、使用寿命及规模化制备等基础应用研究方面的关键问题。近年来，以通讯/第一作者（含共同）发表论文40余篇，包括Nature Energy（2篇）、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等，论文引用13000余次。主持国家、省、市等多项项目。https://faculty.sustech.edu.cn/qiulb/哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师。2017年复旦大学高分子物理与化学专业博士毕业（导师：彭慧胜教授），毕业后先于日本冲绳科学与技术大学（合作导师：戚亚冰教授）开展博士后工作，后作为加拿大麦克马斯特大学Michael G. DeGroote 国际人才重点专项基金特聘博士后研究员（合作导师：李应福教授）在健康科学系开展工作。2021年1月加入哈尔滨工业大学（深圳）理学院，主要从事高分子设计和制备以及在柔性电化学器件等基础和应用研究。以合作作者身份在国际专业类知名杂志上发表SCI论文共70余篇，Google Scholar 引用6000余次，H-index 37，其中以通讯/第一作者（含共同）发表论文40余篇，包括Nature Communications（2篇）、Nature Protocol、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition和ACS Nano等杂志。http://www.hesisilab-hit.com/南方科技大学副教授，博士生导师。2012年新加坡南洋理工大学电气与电子工程博士。于2017年8月加入南方科技大学电气与电子工程系，担任副教授。他分别于2007年和2012年在新加坡南洋理工大学获得学士和博士学位。此后，他在加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的诺贝尔奖得主Alan Heeger教授的实验室担任博士后研究员，在德国马普高分子研究所担任访问学者，并在新加坡A*STAR材料研究与工程研究所担任科学家，然后加入南方科技大学。他已发表130篇期刊论文和4章书籍章节，并申请了18项专利。他的H指数为43，被引用超过8800次。他是《Frontiers in Electronic Materials》的副编辑和《Photonics》的主题编辑。他被斯坦福大学认定为世界前2%的科学家之一，并被Research.com评为中国最佳电子与电气工程科学家之一。他还获得了国际奖项，如日本化学会的”Distinguished Lectureship Award”、德国联邦教育和研究部的“Green Talent”和IAAM奖章。https://faculty.sustech.edu.cn/aung-ko-ko-kyaw/
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