重大突破！港城大/牛津大学/西安交大，最新Nature！

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是新一代光伏材料，由于其高效能和低成本制造过程，成为了研究热点。然而，其操作稳定性仍是一个主要挑战，特别是在面对环境应力因素（如湿度、热量和光照）时。环境应力会在钙钛矿吸收层中形成陷阱或电荷载体障碍，从而恶化器件性能。这些陷阱或障碍主要是由于离子缺陷所引起，而目前的钝化策略虽然能在制造阶段有效控制这些缺陷，但在器件操作和存储期间则难以处理新生成的缺陷。

成果简介

有鉴于此，香港城市大学冯宪平教授与牛津大学Henry J. Snaith教授等人合作提出了一种实时响应的活性钝化策略，使用含有动态共价键（DCBs）的阻滞尿素/硫代氨基甲酸酯键（HUBLA）材料。与传统钝化剂不同，HUBLA在暴露于湿气或热量时，可以生成新的钝化剂，进一步处理钙钛矿中的新生成缺陷。这种动态钝化方法不仅在制造过程中对钙钛矿薄膜进行钝化，还能在器件使用期间继续发挥作用，从而显著提高了器件的长期稳定性。相关成果在Nature期刊上发表了题为“Water-and heat-activated dynamic passivation for perovskite photovoltaics”的最新论文。

实验结果表明，使用HUBLA材料的钙钛矿太阳能电池在高温和湿度条件下表现出优异的稳定性。具体而言，这些器件在氮气环境中85°C下老化约1500小时后，仍保持了初始光电转换效率（PCE）的94%；在空气中85°C和相对湿度30%条件下老化1000小时后，保持了初始PCE的88%。此外，HUBLA材料所制备的器件还实现了25.1%的高转换效率。这些结果表明，HUBLA作为一种活性钝化剂，能够有效提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性，为其未来商业化应用提供了新的途径。

值得注意的是，第一作者为香港城市大学Wei-Ting Wang，牛津大学Philippe Holzhey，香港城市大学Ning Zhou和西安交通大学Qiang Zhang。

研究亮点

1. 实验首次提出了一种实时响应的钙钛矿表面处理策略，利用含有动态共价键（DCBs）的HUBLA材料，能够在制造过程中和制造后对钙钛矿薄膜进行钝化。该策略利用水和热激活的动态共价键，可以动态修复钙钛矿中的缺陷，确保器件的性能和稳定性。

2. 实验通过以下几个方面的研究和验证，得到了显著的结果：

1）在制造阶段，HUBLA材料可以与钙钛矿中的离子缺陷相互作用，形成动态共价键，抑制功能基团的高反应性，从而提高钙钛矿薄膜的质量和器件的初始性能。

2）在环境应力条件下（如湿度和热量），HUBLA材料中的动态共价键被激活，生成新的钝化剂，进一步钝化钙钛矿中的新生成缺陷，维持器件的稳定性。暴露于湿气或热量时，HUBLA会生成新的反应物质，进一步钝化钙钛矿中的缺陷。

3）通过这种表面处理策略，实验实现了高性能的钙钛矿太阳能电池，转换效率（PCE）达到25.1%。在氮气环境中85°C下，HUBLA设备在约1500小时的老化过程中保持了其初始PCE的94%；在空气中85°C和相对湿度30%条件下，经过1000小时的老化后，保持了其初始PCE的88%。

图文导读

图1：HUBLA 的动态反应、水解和氧化还原穿梭。

图2. 钙钛矿薄膜上HUBLA的动态反应和钝化。

图3. 钙钛矿薄膜的稳定性。

图4：钙钛矿光伏电池的性能和稳定性。

总结展望

本文探索和开发具有动态修复能力的新型表面处理策略，应用于提升钙钛矿太阳能电池（PSC）的性能和稳定性。传统上，PSC面临着由于环境应力（如湿度和温度）引起的离子缺陷和电荷障碍问题，这些问题限制了器件的长期稳定性和效率。

本文首次引入了阻滞尿素/硫代氨基甲酸酯键（HUBLA）作为动态共价键材料，其独特的水和热激活特性使其能够在器件操作过程中动态修复新生成的缺陷。这种策略不仅能在器件制造阶段对钙钛矿进行有效的表面修饰，还能在器件使用和储存过程中实时响应环境应力，进一步提升器件的操作稳定性和长期性能。

实验结果显示，经过HUBLA处理的PSC不仅实现了高达25.1%的转换效率（PCE），而且在85°C条件下经历了长达1500小时的老化测试后，仍保持了94%的初始PCE。这表明了动态共价键材料在光伏应用中的巨大潜力，为未来钙钛矿太阳能电池的工程化应用提供了新的科学思路和实践基础。通过对材料设计和功能性表面处理的创新，本研究为解决目前PSC面临的关键挑战和限制提供了有前景的解决方案，推动了钙钛矿材料在清洁能源领域的进一步发展和应用。

文献信息

Wang, WT., Holzhey, P., Zhou, N. et al. Water- and heat-activated dynamic passivation for perovskite photovoltaics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07705-5

原创文章，作者：计算搬砖工程师，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/06/26/bee9ec4fcc/

重大突破！港城大/牛津大学/西安交大，最新Nature！

相关推荐