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新型多功能硫鎓盐表面钝化助力稳定高效甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池 |
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尽管钙钛矿太阳能电池的稳定性在逐渐提高，但它仍然是钙钛矿光伏商业化的最关键限制，迫切需要进一步改善。由于性能损失和钙钛矿太阳能电池的寿命衰减主要始于晶界和界面，这也是缺陷和可移动离子在外部应力下（如持续照明、湿润环境和高温）积聚的地方。因此，减少表面缺陷并抑制离子迁移对于实现钙钛矿太阳能电池的长期稳定至关重要。
瑞典乌普萨拉大学杨博文研究员和anders hagfeldt教授首次提出并使用了一类新型多功能硫鎓盐，dmpsesi，作为表面钝化材料稳定高效甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池，使其在保持高效的同时表现出卓越的器件稳定性。经过dmpesi表面处理过的甲脒铅碘膜薄可以在室温下两年保持纯黑相，并且钝化的电池在4500小时的mppt稳定性测试中效率损失小于1%。同时，该研究还对于钝化处理后的钙钛矿薄膜提供了全面的表征和分析并详细阐明了这种新型硫鎓盐的独特性质和功能。
2024年1月4日，该研究以“multifunctional sulfonium-based treatment for perovskite solar cells with less than 1% efficiency loss over 4,500-h operational stability tests”为题，发表在nature energy期刊上。论文第一作者为索嘉嘉、杨博文；论文通讯作者为杨博文、edoardo mosconi和anders hagfeldt。
钝化后的钙钛矿薄膜在湿度和光照条件下的稳定性
文章作者首次设计并使用了一类新型多功能硫鎓盐，dmpsesi，作为表面钝化材料稳定甲脒铅碘钙钛矿膜薄。由于这种硫鎓盐与水分子相互作用较弱，因此经过表面处理后，钙钛矿薄膜的疏水性有了显著提高，从而增强了电池器件在潮湿条件下的稳定性。同时，作者发现硫鎓盐处理后的甲脒铅碘钙钛矿膜薄也具有极高的光照稳定性。
图1：钝化后的钙钛矿薄膜在湿度和光照条件下的稳定性。
硫鎓盐对甲脒铅碘钙钛矿的作用机制
通过实验认证及理论计算，作者发现与通常在表面处理后形成低维钙钛矿的铵盐不同，这种新型的硫鎓盐dmpesi易与甲脒铅碘反应，在高覆盖率下建立分子间相互作用，形成硫鎓盐与甲脒铅碘的混合物，从而起到钝化效果。
图2：硫鎓盐对甲脒铅碘钙钛矿之间的作用机制。
钙钛矿薄膜和器件的光电特性
实验证明适量的硫鎓盐dmpesi可以有效延长载流子寿命，提高钝化后的钙钛矿薄膜质量，减少非辐射复合。最终明显提高器件性能，尤其是开压和填充因子。
图3：钙钛矿薄膜和器件的光电特性。
钙钛矿太阳能电池的稳定性
作者发现钝化后的器件在各种老化测试中都表现出了极好的稳定性，包括室温存储、热循环测试、双85湿热测试、光照下mppt测试等。值得强调的是钝化后的器件经过半年的mppt测试，依然显示出非常出色的运行稳定性，效率几乎没有下降（不到1%）。这是迄今为止报道的最稳定、高效的钙钛矿太阳能电池之一。作者通过对同一批次和不同批次中的其他电池进行测试，均得到了类似的结果。对这些数据进行线性模拟可以得到一个超过九年的理论t80值。
图4：钙钛矿太阳能电池的稳定性。
（来源：科学网）
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