钙钛矿光伏：冠醚实现高效稳定电池（PCE24.8%），控制离

江西师范大学&南昌大学陈义旺团队发表《Crown Ethers with Different Cavity Diameters Inhibit Ion Migration and Passivate Defects toward Efficient and Stable Lead Halide Perovskite Solar Cells》。本文详细介绍了两种不同的冠醚衍生物（PC12和PC15）在提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性方面的应用，它们能选择性地与不同的金属阳离子结合，有效控制锂离子迁移并钝化Pb2+离子。通过实验验证，PC12和PC15可以作为“润滑剂”和缺陷钝化剂以及离子迁移控制剂，从而显著提升器件的性能和稳定性，优化后的器件实现了24.8%的转换效率。

01 研究背景

有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的稳定性远远落后于商业化的硅基太阳能电池，这严重阻碍了它们的进一步商业化。外部环境和内部因素如钙钛矿缺陷、离子迁移和残留晶格应变都会影响PSCs的稳定性。为了克服这些缺点，已经探索了各种策略如组成工程、添加剂工程、界面工程等。一些有机分子能够在钙钛矿薄膜的表面和体积上钝化缺陷位点，冠醚就是其中之一。此外，Spiro-OMeTAD作为器件的的空穴传输材料，其p型掺杂剂会加速水分渗透和Li+离子迁移到钙钛矿层中，形成有害缺陷。因此，应该采取有效策略来控制Li+离子迁移。文章设计和合成了两种不同腔体大小的冠醚衍生物，PC12和PC15，它们可以与不同的金属阳离子选择性地配位。当PC12和PC15应用于钙钛矿层和HTL之间的界面以及钙钛矿前驱体溶液中时，释放了钙钛矿薄膜的残余应变，优化了能级阵列的匹配，降低了陷阱态密度，并控制了非辐射复合，提高器件转换效率和增加器件的稳定性。

02 研究成果

本研究提出了一种巧妙的协同策略，利用具有不同空腔直径的冠醚与不同的金属离子的选择性配合来增强钙钛矿设备的性能和稳定性：

（1）开发了两种具有不同空腔大小的冠醚衍生物，它们能够通过主客相互作用机制选择性地与Li+和Pb2+结合。

（2）PC15可以更有效地在钙钛矿前驱体中调节成核和结晶过程，并钝化未配位的Pb2+离子。同时，PC12能更有效地控制锂离子的迁移和非辐射复合反应界面。因此，PC12和PC15协同应用于钙钛矿层与HTL之间的界面以及钙钛矿前驱体溶液中，以提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

（3）优化后的器件光电转换效率PCE达24.8%，未封装的目标器件在温度为25±5°C、相对湿度（RH）为75±5%的大气条件下老化2160小时后，仍保持了其原始性能的85%。

03 测试表征

文中采用了多种测试表征技术，包括电流密度−电压（J−V）、电化学阻抗谱（EIS）、瞬态光电流（TPC）、瞬态光电压（TPV）、飞行时间质谱（ToF-SIMS）、扫描电镜SEM、原子力显微镜（AFM）、紫外可见光谱（UV−vis）、XRD、PL、TRPL、荧光寿命成像显微镜（FLIM）、水接触角（CA）等。

其中，利用瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测试分析揭示器件内部载流子传输和复合的机制。如图4（g）TPV测试表明，通过添加PC15来处理钙钛矿前驱体，并且利用PC12对界面进行修饰，钙钛矿器件的载流子寿命显著延长，从106.5微秒增加到576.2微秒，这表明载流子的非辐射复合大大减少。此外，在TPC测试中（见图S25），我们发现目标器件显示出的载流子寿命（0.7微秒）远快于对照器件（4.2微秒），这意味着目标器件中电荷传输更为高效，这有助于减少滞后现象。这些结果表明，由于冠醚与Pb2+之间的相互作用，目标器件的晶界和界面上的缺陷显著减少。

图4. (g) Transient photovoltage decay curves of the control and target devices

图. S25 Transient photocurrent decay curves of the control and target devices

04 相关设备

瞬态光电流TPC/光电压TPV测量仪TranPVC 900：东谱科技早于2017年推出该设备TranPVC 100，TranPVC面市后，迅速得到客户的认可。目前在光伏、光催化、光探测等研究领域的关注度高，有很好的用户基础。TranPVC 发展至今，完成了全系列的产品升级—TranPVC 900。TranPVC 900集成了数种前沿的瞬态测量模式，包括瞬态光电压TPV、瞬态光电流TPC、瞬态光电荷TPQ、电荷抽取CE、开路电压上升与衰减Voc Riseand Decay、探测器响应时间TRTF、On-off TPV、On-off TPC等数种前沿的测量模式。为光电器件的机理研究提供了强有力的、便捷的测试工具。

▍引用文章

Crown Ethers with Different Cavity Diameters Inhibit Ion Migration and Passivate Defects toward Efficient and Stable Lead Halide Perovskite Solar Cells

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.4c08168

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