大连化物所刘生忠用Nipecotic Acid调控钙钛矿结晶铸就高性能PSCs

主要内容

高质量钙钛矿薄膜制备的重要性

高质量钙钛矿薄膜的制备对提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率（PCE）起着至关重要的作用，而通过精准调控钙钛矿薄膜的结晶动力学，可有效达成这一效率提升目标。由中国科学院大连化学物理研究所刘生忠研究员，陕西师范大学蔡雪刁副教授和冯江山副研究员等人，在本研究中创新性地采用烟酰胺（Nipecotic Acid，NA）作为添加剂，通过调控结晶过程来抑制钙钛矿薄膜内部的缺陷形成。

作用机制验证

其作用机制通过原位紫外 - 可见（UV/Vis）吸收光谱与光致发光（PL）测量得到了充分验证。此外，掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和X射线衍射（XRD）分析进一步确证，NA能够有效调控钙钛矿晶体的取向。具体而言，当将烟酰胺（NA）作为添加剂引入钙钛矿前驱体溶液后，其─NH和─COOH功能基团可与PbI₂发生配位作用，形成稳定配合物。这种稳定配合物通过改变成核和生长速率，有效调控薄膜形成过程中的结晶动力学。这种双功能相互作用能够同时延缓结晶速率，并促进（100）晶面的择优取向生长，最终获得缺陷密度降低、非辐射复合被抑制且晶粒尺寸增大的高质量钙钛矿薄膜。

器件性能提升

借助NA添加剂的独特作用，该研究团队成功制备出具有优异质量与低缺陷密度的高质量钙钛矿薄膜。其中，最优器件实现了24.76%的光电转换效率，这一成果十分亮眼。开路电压（Voc）的提升主要得益于薄膜缺陷的减少，降低了电荷复合损失；填充因子（FF）的提高则归因于晶粒尺寸的增大，改善了电荷传输性能，进而显著提升了光电转换效率（PCE）。此外，研究团队还成功制备出大面积（1 cm²）器件，其PCE达到22.55%。大面积（1 cm²）器件的成功制备，为钙钛矿太阳能电池从实验室走向实际应用迈出了重要一步，因为大面积制备过程中往往面临着均匀性、缺陷控制等难题。

稳定性测试

值得注意的是，该器件在环境条件（25 °C，相对湿度25% RH）下储存960小时后，仍能保持初始PCE的94.04%，充分展现出卓越的环境稳定性。在稳定性测试中，采用NA添加剂制备的PSCs表现出优异的环境稳定性：经960小时老化后，其PCE仅下降5.96%，而对照样品的PCE降幅高达29.60%。这一鲜明对比凸显了NA添加剂在提升器件稳定性方面的显著效果。

研究意义与展望

本研究由中国科学院大连化学物理研究所刘生忠研究员，陕西师范大学蔡雪刁副教授和冯江山副研究员等人主导完成，不仅深入揭示了钙钛矿结晶动力学机制，还为开发高性能、运行稳定的钙钛矿光伏器件提供了可靠的材料策略。NA添加剂方案同时解决了晶体质量控制与器件工程的关键挑战，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用开辟了一条可行路径。

文献信息

ModulatingPerovskiteFilmCrystallizationwithNipecoticAcidforHigh-PerformancePerovskiteSolarCells

HaoyiZhang,JingyunWei,DiZhang,JiafanZhang,YujieLiu,RenxuanWang,YanyanLi,Shengzhong(Frank)Liu,JiangshanFeng,XuediaoCai

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202509076