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仿生策略抑制钙钛矿分解，实现高效稳定钙钛矿太阳电池 |
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近日，华北电力大学李美成团队在钙钛矿太阳电池领域取得新进展，采用一种爬行植物启发策略，实现从退火过程到后续工况下的钙钛矿分解抑制，有力提升了钙钛矿薄膜和器件稳定性，实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池。2024年6月18日，该研究以“inhibiting perovskite decomposition by a creeper-inspired strategy enables efficient and stable perovskite solar cells”为题发表在nature communications期刊。论文第一作者为华北电力大学博士生杜淑贤和青年教师黄浩，华北电力大学李美成教授为论文通讯作者。
稳定性一直是制约高效钙钛矿太阳电池商业化的关键因素，而稳定性问题主要由钙钛矿决定。钙钛矿的分解可以简单分为两个步骤：第一步是有机阳离子的逃逸，第二步是无机框架的崩塌，且在杂化钙钛矿材料中，有机成分相比无机成分更不稳定。
李美成教授团队受到自然界爬墙植物（如爬山虎）的启发，在钙钛矿中引入一种“爬行分子”聚六亚甲基胍盐酸盐，来稳定钙钛矿薄膜。聚六亚甲基胍盐酸盐是一种含有胍基的长链分子聚合物，其中均匀分布的胍基可以通过多个n…h键与钙钛矿中的fa 产生强相互作用，类似于爬墙植物的吸盘一样使得整个分子稳定地覆盖在钙钛矿晶粒上，抑制fa 离子的迁移和逃逸。最终，以tio2为电子传输层的平面钙钛矿太阳电池达到了25.42%的效率（认证效率为25.36%）。此外，即使在恶劣的湿热条件下，钙钛矿薄膜和器件也表现出增强的稳定性。在1个太阳照射下运行1300小时以及在85%相对湿度下存储1000小时后，钙钛矿太阳电池仍能保持初始效率的96%以上。
图1：爬行植物启发的设计与相互作用机制。
图2：退火过程中钙钛矿分解的抑制。
图3：钙钛矿结晶的原位表征。
图4：钙钛矿薄膜和器件的光电性能。
图5：离子迁移的表征。
图6：钙钛矿薄膜和器件的稳定性。
采用爬墙植物仿生策略可以有效提升钙钛矿薄膜稳定性，这主要是因为：（1）“爬行分子”通过多重氢键强烈锚定 fa ，并进一步稳固地覆盖钙钛矿晶粒，抑制了 fa 的迁移和逸出；（2）“爬行分子”从早期的退火过程开始就抑制了钙钛矿分解，减少了边界处多余的 pbi2，并消除了pbi2对钙钛矿稳定性的有害影响，特别是在光照和加热条件下。同时，“爬行分子”聚六亚甲基胍盐酸盐的引入还可以加速钙钛矿成核并延迟晶体生长，有助于改善钙钛矿薄膜的结晶性能。最后，以tio2为电子传输层的平面钙钛矿太阳电池获得了25.42%的效率。电池在最大功率点下输出1300小时后，可保持约97%的初始效率，展现出优异的稳定性。该仿生策略通过不同方法制备的钙钛矿膜显示出可靠的适用性，为解决钙钛矿稳定性的瓶颈问题提供了指导，为钙钛矿太阳电池的商业化应用提供了更多机会。（来源：科学网）
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