中南袁永波ACS Nano：抑制前驅(qū)體老化以實(shí)現(xiàn)高效甲脒基Dion–Jacobson二維鈣鈦礦太陽能電池

主要內(nèi)容

針對含甲脒陽離子（FA?）的準(zhǔn)二維（Q-2D）鈣鈦礦體系，F(xiàn)A?與胺基有機(jī)間隔物間的副反應(yīng)會顯著降低鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的相純度與批次可重復(fù)性，然而這一關(guān)鍵問題迄今尚未引起學(xué)術(shù)界足夠重視。 中南大學(xué)袁永波教授、陳義旺教授與藺云教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，針對該難題展開系統(tǒng)性研究，以1,3-丙二胺（PDA）為間隔物的狄恩-雅各布（Dion–Jacobson, DJ）型準(zhǔn)二維鈣鈦礦前驅(qū)體為模型體系，首次揭示了其老化過程中的雙機(jī)制協(xié)同作用規(guī)律。

研究團(tuán)隊(duì)通過原位光譜表征與理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)：

動態(tài)環(huán)化反應(yīng)機(jī)制：去質(zhì)子化的PDA通過雙端胺基與FA?發(fā)生分步親核加成，形成五元環(huán)狀中間體，該結(jié)構(gòu)與PbI?通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)締合，誘導(dǎo)生成難溶性[PDA-FA-PbI?]復(fù)合物，直接導(dǎo)致前驅(qū)體溶液渾濁與組分偏析；

加成-消除反應(yīng)機(jī)制：苯二胺碘鹽（PDAI?）脫質(zhì)子生成的PDA，可與FA?通過β-消除反應(yīng)形成不飽和中間體，該物種作為成核位點(diǎn)加速PbI?異常沉淀，造成薄膜表面粗糙度增加300%以上，*終使器件效率衰減達(dá)40%。

針對上述雙重老化路徑，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出甲磺酸（MSA）多功能添加劑策略：

質(zhì)子化阻斷效應(yīng)：MSA釋放的H?可優(yōu)先與PDA的孤對電子配位，將脫質(zhì)子能壘從12.5 kcal/mol提升至28.3 kcal/mol，從熱力學(xué)角度抑制環(huán)化反應(yīng)發(fā)生；

缺陷鈍化機(jī)制：MSA分子中的S=O基團(tuán)與配位不足的Pb2?形成Lewis酸堿加合物，使薄膜中未鈍化缺陷密度從1.2×101? cm?3降至3.8×101? cm?3；

結(jié)晶動力學(xué)調(diào)控：通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)調(diào)控前驅(qū)體溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程，將鈣鈦礦結(jié)晶速率降低60%，實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸均勻化（平均晶粒尺寸從180 nm提升至320 nm）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

經(jīng)MSA優(yōu)化的FA?基準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池，在1 cm2有效面積下實(shí)現(xiàn)18.26%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證效率17.9%），較對照組（14.60%）提升25%；同時(shí)，器件在85℃/85% RH條件下老化1000小時(shí)后，仍保持初始效率的92%，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與光穩(wěn)定性。該工作首次闡明了FA?基準(zhǔn)二維鈣鈦礦前驅(qū)體的雙模式老化機(jī)制，并開發(fā)出集反應(yīng)抑制、缺陷鈍化與結(jié)晶調(diào)控于一體的多功能添加劑策略，為設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性、高效率的二維鈣鈦礦光伏材料提供了重要理論依據(jù)與技術(shù)路徑。

文獻(xiàn)信息：

Suppressing the Precursor Aging for Efficient Formamidinium-Based Dion–Jacobson Two-Dimensional Perovskite Solar Cells

Xianglan Tang，Yun Lin，Fang Wan，Wen Deng，Lei Wang，Ting Hu，Xiaotian Hu，Lin Zhang，Fangping Ouyang，Biao Liu，Junliang Yang，Zhihui Chen，Bin Yang，Liming Ding，Xiao Wang，Shuping Pang，Jun He，Yiwang Chen，Yongbo Yuan

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c03211

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