童金辉团队缺陷钝化与结晶调控29.01%高效WBG全钙钛矿叠层电池

主要内容

基于碘溴（I - Br）混合卤化物的宽禁带（WBG；>1.65电子伏特）钙钛矿，是钙钛矿基叠层太阳能电池（TSCs）的关键活性层材料。然而，富溴（Br）物种的结晶动力学难以控制，往往会导致宽禁带钙钛矿薄膜出现晶粒尺寸减小、缺陷密度升高等问题。在此情形下，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室童金辉研究员和湖南师范大学翟亚新教授带领其团队，引入了一种多功能添加剂——3,4,5 - 三氟苯甲酰胺（TFBZ）。该添加剂旨在增强无甲铵（MA）的宽禁带钙钛矿薄膜的结晶性，并钝化其缺陷。

与苯甲酰胺相比，TFBZ展现出更突出的缺陷钝化能力，它能够借助氟元素增强的相互作用，有效减少碘空位和欠配位Pb²⁺引起的缺陷。此外，TFBZ中的氟取代基还能与碘化甲脒形成N–H···F氢键，进而减缓钙钛矿的结晶速率。该团队提出的这种方法，对于1.67电子伏特和1.79电子伏特的无甲铵宽禁带钙钛矿，均能有效实现缺陷钝化和晶体生长调控，从而成功制造出无甲铵的全钙钛矿叠层太阳能电池，其光电转换效率达到了令人鼓舞的29.01%（认证效率为28.52%）。

总之，为突破无甲铵（MA）宽禁带（WBG）钙钛矿太阳能电池（PSCs）结晶性差和缺陷密度高的瓶颈，童金辉研究员和翟亚新教授团队精心设计了多功能添加剂——3,4,5 - 三氟苯甲酰胺（TFBZ）。TFBZ中的氟原子在强化钙钛矿缺陷位点与TFBZ中甲酰胺基团形成的化学键方面发挥着至关重要的作用，其缺陷钝化效果显著优于苯甲酰胺（BZD）。同时，氟原子还可作为氢键受体，与甲脒碘（FAI）相互作用形成N–H···F氢键，进一步减缓钙钛矿的结晶速率。TFBZ中氟原子与甲酰胺基团的协同作用，能够生成晶粒尺寸大、缺陷密度低的高质量钙钛矿薄膜。

这一方法对带隙分别为1.67电子伏特和1.79电子伏特的无甲铵宽禁带钙钛矿太阳能电池均具有广泛的适用性。基于该方法制备的器件，分别实现了22.78%和20.21%的显著光电转换效率（PCE），同时表现出更优异的运行稳定性。更令人瞩目的是，通过将高效的1.79电子伏特无甲铵宽禁带钙钛矿与1.25电子伏特无甲铵窄禁带（NBG）钙钛矿相结合，该团队成功制备出无甲铵双端全钙钛矿叠层器件，其光电转换效率高达29.01%，成果斐然且意义重大。

综上所述，这些发现充分凸显了童金辉研究员和翟亚新教授团队通过有针对性地设计添加剂中的功能基团来强化化学相互作用这一方法的有效性。该方法可同时提高无甲铵宽禁带钙钛矿薄膜的结晶性并降低其缺陷密度，最终实现了高性能单结无甲铵宽禁带钙钛矿太阳能电池，以及光电转换效率提升且具有长期运行稳定性的全钙钛矿叠层太阳能电池。

文献信息

Defectpassivationandcrystallizationmodulationinmethylammonium-freewide-bandgapperovskitesforall-perovskitetandemsolarcells

XuefeiJia,KaichengZhang,XiaofengGao,XufengLiao,YujieYang,WeishengLi,XiaojingLv,XinyuZhao,JialiLiu,YitongJi,ZhongliangYan,QingguoDu,FuzhiHuang,ZhiweiRen,YaxinZhai,WenchaoHuang,YangBai,CanglangYao,QianqianLin,Yi-BingCheng,andJinhuiTong

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4501