Small Methods：螯合配位增强表面终端以获得高效钙钛矿太阳能电池

太阳能电池效率和稳定性是决定光伏电池是否适用于商业应用的两个关键指标。钙钛矿层的表面终端不仅对光电转换效率（PCE）而且对组装的钙钛矿太阳能电池（PSCs）的稳定性起着关键作用。二硫代氨基甲酸（DDTC）可与多种过渡金属通过单齿或双齿配位作用形成配合物，被广泛应用于有机合成、化学分析、发光以及医药方面。例如：DDTC盐可作为Cd2+和Ni2+的解毒剂，同时DDTC盐可进行水质是否Pb2+超标的指示剂。本论文通过引入DDTC于钙钛矿薄膜的表面，一方面，配体阴离子通过双齿螯合键与Pb阳离子结合以限制表面的离子迁移，形成的螯合物表面终端使表面从亲水性变为疏水性，两者都有利于改善组装电池的长期稳定。另一方面，螯合键的形成有效地消除了Pb-I和FA-I终端上的深能级缺陷，包括PbI和Pb簇，从而达到提升电池光电转换效率的目的。

近日，陕西师范大学赵婉亘和刘生忠领导的科研团队通过引入DDTC配体仔细设计钙钛矿收获层的表面终端。通过密度泛函理论计算以及单载流子器件实验数据证实了DDTC可与Pb2+形成螯合键，PbI和Pb簇深能级缺陷失活，降低了钙钛矿膜中缺陷或陷阱态的密度，提高了钙钛矿的晶体质量，达到了高达24.52%的光电转换效率。此外，通过水接触角和离子迁移活化能表明螯合键的形成不仅改变了钙钛矿薄膜对高湿度的抗性，而且配体络合物通过强螯合作用锚定在钙钛矿膜的终端位点，降低了离子迁移，从而增强长期稳定性。在没有封装的条件下，将组装好的装置在25%的相对湿度的黑暗中储存50天后，DDTC装置保持了其初始效率的90%，并且在85℃下保持300小时时保持了原始PCE的80%。

图文解说

图1.NaDDTC处理降低缺陷密度的理论和实验证据。（a） DDTC和FAPbI3之间的配位反应。（b）I空位在（b）FA-I端接和（c）Pb-I端接上的TDOS，有和没有DDTC。（d） 带和不带DDTC的Pb-I终端上PbI的TDOS。（e） 带和不带DDTC的FA-I终端上Pb簇的TDOS。纯电子（f）和纯空穴器件的暗J-V表征。（h）稳态PL光谱。（i）原始和NaDDTC处理的钙钛矿薄膜的活化能。

图2.表面电势和能量对准。（a）通过开尔文原子力显微镜（KPFM）比较原始和DDTC改性钙钛矿薄膜的接触电位差（CPD）。（b）与二次电子起始区（WF，功函数）和价带区（VBM，价带最小值）相对应的原始和DDTC样品的紫外光电子光谱（UPS）。（c）与Spiro-OMeTAD的相对能量对准。

图3.相互作用机制。（a）提出了可能的化学反应公式。（b）Pb（DDTC）2晶体的照片和（c）结构。（d）原始和DDTC改性钙钛矿薄膜的XRD图。（e）PbI2、NaDDTC和NaDDTC+PbI2。

图4.载流子传输特性。（a）原始和（b）DDTC改性钙钛矿膜在不同探针波长和探针延迟时间下的瞬态吸收（TA）图像。（c）原始和DDTC改性钙钛矿膜的漂白恢复的动态演变、（d）PL衰减曲线、（e）EIS和（f）组装电池的瞬态光电压（TPV）衰减曲线。

图5（a）基于原始和DDTC的装置的J-V曲线和相关关键参数。（b）稳定的输出曲线。在（c）N2气氛中的热处理和（d）空气中的暗存储期间的效率演变。（e） 不同载水时间下原始和DDTC改性钙钛矿膜的水接触角。

论文信息：

Chelate Coordination Strengthens Surface Termination to Attain High-Efficiency Perovskite Solar Cells

Jiali Liu‡, Tengteng Yang‡, Zhuo Xu, Wangen Zhao*, Yan Yang, Yuankun Fang, Lu Zhang, Jingru Zhang, Ningyi Yuan, Jianning Ding, Shengzhong (Frank) Liu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202201063

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