目前，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率已經達到22.7%，超過了商業化的晶硅太陽能電池。但是由于鈣鈦礦材料在大氣環境中難以長期穩定，仍是限制其工業化的致命弱點。鈣鈦礦多晶膜的缺陷多存在于薄膜的表面和相鄰晶粒間的晶界中，載流子的復合與材料降解活躍在這些區域，嚴重制約了器件的穩定性與效率。目前多通過表面鈍化的策略隔絕材料與水氧接觸。然而，目前報道的表面鈍化材料以高分子聚合物居多，這些聚合物的選擇往往是隨機的。隨機的聚合物摻雜到鈣鈦礦薄膜中，阻礙了載流子的傳輸，從而部分犧牲了材料優良的光電性能。

【成果簡介】

近日，Chem上刊登了題為：“Continuous Grain-Boundary Functionalization for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Exceptional Stability”的文章。文章的通訊作者為美國布朗大學的Nitin. P. Padture教授和Yuanyuan Zhou教授以及中科院青島生物能源與過程研究所的逄淑平研究員。文章的第一作者為布朗大學訪問博士生宗迎夏。

【本文亮點】

研究者們通過分析分子間的相互作用，選取了具有“親水-疏水-親水”對稱結構的三嵌段共聚物Pluronic P-123加入到前驅體溶液中，調控鈣鈦礦多晶膜的結晶行為，獲得極為平整而又致密的MAPbI3鈣鈦礦薄膜。同時，這種三嵌段共聚物在晶界處形成連續且厚度可調節的網狀結構，鈍化了晶界，有效的提升了器件的光電轉化效率和對環境的耐受力。通過這種對于晶界修飾的鈣鈦礦薄膜器件光電轉化效率達到19.4%，在一個標準太陽光模擬光源下持續光照480h，仍能保持92%的效率。同時，這種晶界被修飾過的薄膜顯示出優異的濕度穩定性，光照穩定性和熱穩定性。

【圖文導讀】

圖一. 三嵌段共聚物修飾晶界的示意圖與結構模型 

 A 三嵌段共聚物在MAPbI3薄膜內沿晶界形成鈍化網絡的示意圖

B 三嵌段聚合物與鈣鈦礦分子間的氫鍵作用

C 計算鈣鈦礦分子與三嵌段聚合物之間的作用能的計算模型示意圖

圖二. 三嵌段聚合物最優摻雜量（0.5%wt）的材料表征圖

A 三嵌段聚合物最優摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜

B 三嵌段聚合物最優摻雜量（0.5%wt）FTIR 圖譜

C 三嵌段聚合物最優摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜SEM 圖像

D 三嵌段聚合物最優摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜 AFM 圖像

圖三. 摻雜不同量三嵌段聚合物的鈣鈦礦薄膜的TEM 表征圖

A 最優摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜的低倍數TEM 圖像

B-D不同摻雜量（0 wt%，0.5% wt, 1.0% wt,10% wt）的鈣鈦礦薄膜的高倍數TEM圖像

E 最優摻雜量（0.5%wt）的鈣鈦礦薄膜中氧元素的電子能量損失譜

圖四. 摻雜最優量的三嵌段共聚物的鈣鈦礦太陽能電池的結構及表征

A 最優摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池的橫截面SEM 圖像

B 不同三嵌段共聚物摻雜量電池器件的J-V曲線

C 最優摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的J-V曲線

D 最優摻雜量的三嵌段共聚物鈣鈦礦電池器件的EQE及積分電流

圖五. 摻雜最優量三嵌段共聚物的鈣鈦礦薄膜的穩定性測試(無摻雜的鈣鈦礦薄膜為空白樣)

A 濕穩測試：70% RH

B 熱穩測試：100℃

C 光穩測試：一個標準太陽

D 摻雜0.5%wt的P123 MAPbI3 太陽能電池在模擬一個標準太陽光照下480h的效率統計圖

【小結】

研究者們理性地選擇了具有“親水-疏水-親水”對稱結構的三嵌段共聚物Pluronic P-123摻雜到MAPbI3鈣鈦礦前驅體溶液中，調控成膜過程，獲得極為平整致密的鈣鈦礦多晶薄膜。同時聚合物沿著多晶膜的晶界形成連續的鈍化網絡，且隨著晶界修飾后的鈣鈦礦薄膜顯示出優異的環境耐受力。這項研究進一步推進了晶界功能化修飾對于提高鈣鈦礦材料及器件穩定性的研究進程，對于未來制造低成本、高光電轉化效率和室外環境穩定的光伏器件提供了新的思路。