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又帅又牛！他，发完Nature Energy不到两周，联手985副校长，「国家杰青」，再发JACS！

微算云平台 · 公众号 · · 2024-12-26 08:18

正文

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研究背景

钙钛矿太阳能电池凭借其高效率、低成本和可调节的光学电学性质，成为太阳能领域的重要研究方向。尽管钙钛矿太阳能电池已经突破了26%的光电转换效率，但其长期稳定性和环境适应性依然是其广泛应用的障碍。为了提高钙钛矿电池的稳定性，研究者们采用二维（2D）钙钛矿层作为表面钝化层，形成二维/三维钙钛矿异质结构，通过抑制表面缺陷，改善能量分布和电子传输。然而，现有的二维钙钛矿表面钝化方法存在量子阱宽度分布不均、能量景观不均匀等问题，这限制了钙钛矿太阳能电池的进一步提升。

成果简介

基于此， 新加坡国立大学侯毅教授、天津大学-新加坡国立大学福州联合学院胡文平教授 等人合作提出了“双配体钝化（DLP）”策略，在调整表面钝化的同时，能够精确控制量子阱的分布，优化能量景观，从而提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。该研究以“Ligand-Mediated Surface Reaction for Achieving Pure 2D Phase Passivation in High-Efficiency Perovskite Solar Cells”为题，发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊上。

侯毅教授 ，新国大化工系的“校长青年教授”(Presidential Young Professorship) 、新加坡国立大学（NUS）化学和生物分子工程系助理教授。在德国University of Erlangen-Nuremberg获得博士学位，2019-2020年在斯坦福大学从事博士后研究，导师：鲍哲南教授；曾作过多次海外大学的访问学者。他的研究成果屡次发表于Science、Nature Energy、Nature Communications等国际顶级学术期刊，为材料科学的发展做出了重要贡献。侯毅教授课题组的研究主要集中在钙钛矿基串联太阳能电池的材料、组装和设备创新，多次打破太阳能电池的世界记录。

胡文平教授 ，从事有机高分子光电功能材料的研究，在新型有机高分子光电功能材料的设计合成、凝聚态结构与性能的关系，光电器件的应用等方面开展了系统研究。发表SCI论文700余篇（IF>10.0的320余篇），包括Nature，Science及其子刊（16篇），Adv. Mater. (106篇)，J. Am. Chem. Soc. + Angew. Chem. Int. (75篇)，被SCI引用>46,000次(H因子=105)。胡文平教授长期致力于有机半导体物理化学的研究，是我国有机半导体晶体工程及场效应晶体管器件物理的主要学术带头人之一。他瞄准“有机集成电路”这一重大科技前沿，聚焦源头创新，构筑了“有机半导体晶体®高迁移率材料®高性能物理器件”的特色研究体系。

研究亮点

1. 双配体钝化策略的创新： 本研究提出了一种双配体钝化（DLP）策略，通过大分子配体（MeCZEAI）和小分子配体（mFPEAI）的协同作用，调节表面反应，优化了钙钛矿太阳能电池的二维钝化层。

2. 高的效率与优异的稳定性： 实现了25.86%的光电转换效率，并且在高温、长时间运行中保持了较高的稳定性，分别维持了93%和82%的初始效率。

图文导读

图1 二维钙钛矿表面钝化处理的反应机制

图1展示了单一配体（mFPEAI）与双配体（MeCZEAI与mFPEAI）钝化策略对钙钛矿表面钝化反应的影响。通过比较两种策略的反应机制，揭示了双配体钝化如何通过调节反应动力学来实现更均匀的二维钙钛矿层的形成。

MeCZEAI作为大分子配体，具有较低的吸附能和较大的分子尺寸，使其优先吸附到钙钛矿表面，调控了小分子配体mFPEAI的反应。通过这种方式，MeCZEAI配体帮助改善了mFPEAI与钙钛矿表面的反应过程，减少了无序的量子阱宽度分布，从而实现了更均匀的二维钙钛矿层。

与单一配体处理相比，双配体策略能够形成纯相n=1的二维钙钛矿层，避免了n=2或更高维度的钙钛矿形成，这种纯相二维钙钛矿具有更稳定的能量景观和更好的光电性能。图中还通过配体吸附能的计算和H-NMR实验，进一步验证了MeCZEAI配体与钙钛矿表面之间的较强氢键作用，并且通过较低的吸附能使其在表面反应中起到了调控作用。

图 2 单一配体与双配体钝化对钙钛矿薄膜光学性质的影响

图2展示了单一配体（mFPEAI）与双配体（MeCZEAI与mFPEAI）钝化策略对钙钛矿薄膜光学性能的影响。通过光致发光（PL）和时域光致发光（TRPL）测试，图中清晰地显示了DLP处理（双配体钝化）钙钛矿薄膜的光学性能优于单一配体处理。PL光谱结果表明，DLP处理的样品具有更高的发光强度，表明其有效减少了非辐射复合现象。TRPL测试则进一步显示，DLP处理后，载流子的寿命明显延长，达到1.77微秒，是单一配体处理样品寿命的两倍。

这表明DLP处理显著降低了表面陷阱密度，并优化了量子阱分布，从而提高了载流子寿命，减少了能量损失。这些结果表明，双配体钝化策略有效改善了钙钛矿薄膜的光学性能，为进一步提高太阳能电池的效率提供了基础。

图3 钙钛矿太阳能电池的电化学性能

图3展示了单一配体（mFPEAI）与双配体（MeCZEAI与mFPEAI）钝化策略对钙钛矿太阳能电池电学性能的影响。通过开路电压（Voc）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）测试，结果表明DLP处理（双配体钝化）的钙钛矿太阳能电池在电学性能上优于单一配体处理。DLP处理后的器件表现出更高的Voc和FF，表明表面钝化层优化了钙钛矿与空穴传输层之间的能量对接，并提高了载流子提取效率。具体来说，Voc的提高反映了更均匀的电势分布，减少了载流子的复合损失。FF的提升则表明钝化层改善了载流子的收集效率，降低了电池内部的电阻和损失。这些电学性能的提升证明了DLP策略在提高钙钛矿太阳能电池效率方面的重要作用，显示了其在提升电池性能中的显著优势。

图4 钙钛矿太阳能电池的稳定性测试

图4展示了DLP处理对钙钛矿太阳能电池稳定性的提升，具体通过最大功率点跟踪（MPPT）测试和高温（85 °C）测试来比较不同处理方法的稳定性。结果显示，在1000小时的MPPT测试中，DLP处理的电池保持了93%的初始效率，表现出极好的操作稳定性。相比之下，单一配体处理的电池在500小时后效率下降至约80%。此外，在85 °C的高温环境下，DLP处理的电池经过300小时仍保持82%的初始效率，而单一配体处理的电池仅保持30%。这些结果表明，DLP策略显著提高了电池的长期稳定性和热稳定性，进一步证实了其在钙钛矿太阳能电池中应用的潜力。

又帅又牛！他，发完Nature Energy不到两周，联手985副校长，「国家杰青」，再发JACS！

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