西北工业大学涂用广课题组提出了基于光致异构介导的卤化物钙钛矿离子锚定与紫外线防护策略

研究背景

近年来，金属卤化物钙钛矿太阳能电池发展迅速，其光电转换效率已经媲美同类商业化产品。然而，与单晶硅、砷化镓等传统无机半导体材料不同，钙钛矿太阳能电池中的卤化物钙钛矿多为多晶材料，呈现出较差的稳定性。具体而言，钙钛矿材料具有软离子晶体的特性，在纳米尺度上易形成局部的离子聚集（例如卤素团簇）。在高能紫外光照射下，局部的离子聚集会加剧碘离子的迁移和氧化过程，加速钙钛矿分解为碘单质和金属铅。这种由紫外光引发的级联降解反应不仅严重损害器件的光电性能，还会影响器件的长期运行寿命。因此，发展有效的紫外线防护策略，深入理解微观尺度上的离子迁移与相演化机制，对于推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程具有重要意义。

 研究进展

本工作将具有光致异构功能的2,3-双(2,4,5-三甲基-3-噻吩基)马来酰亚胺（BTTM）分子引入到钙钛矿层，实现对碘离子迁移的持续抑制，从而有效缓解了紫外线诱导的钙钛矿光降解过程。研究表明，BTTM分子的引入不仅调节了钙钛矿薄膜内的残余应力，还通过锚定卤素组分增强了钙钛矿晶格的微观结构有序性，显著抑制了局部离子聚集和相分离行为。

该团队通过溶液浸泡扩散法监测钙钛矿薄膜在紫外老化过程中碘的脱离扩散过程，发现在引入BTTM分子后明显抑制了碘的脱附和扩散。此外，还通过半原位的晶体学表征与光电性能表征，揭示了卤化物钙钛矿薄膜在紫外光辐照测试下的老化降解过程，其中对照组薄膜光致发光信号快速衰减、缺陷大量生成，且出现明显PbI₂析出与晶格坍塌问题，薄膜晶界开裂、形貌破损严重。而BTTM的加入使得薄膜衍射峰强度稳定、晶体结构完整不易发生降解，同时光电性能也能保持较好的水平。

借助这一策略，研究团队成功制备了具有优异光电性能和紫外稳定性的钙钛矿太阳能电池。性能测试结果显示，BTTM改性后器件开路电压由1.11 V提升至1.16 V，器件迟滞效应微弱，稳态输出性能优异。在严苛的紫外线加速老化测试中，掺入BTTM的器件在5 kWh/m²连续累计剂量辐照后仍保持90%以上的初始效率，展现出优异的抗紫外线稳定性。本研究从微观均匀性和功能完整性的角度揭示了钙钛矿材料的紫外降解机制，为设计高效且紫外稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新思路。

未来展望

本研究提出了一种简便、高效、可规模化应用的钙钛矿紫外稳定改性策略，系统阐明了光异构分子通过离子锚定、应力调控与缺陷钝化协同作用的抗紫外机理。该改性方式基于溶液掺杂工艺，与现有光伏器件制备工艺高度兼容，可拓展应用于宽带隙钙钛矿、叠层光伏电池等体系，具备良好的工艺普适性。该研究成果可为空间光伏、高原强紫外环境、户外大功率光伏组件等极端场景的器件研发提供关键技术支撑，有效推动钙钛矿光伏技术从实验室基础研究向产业化应用落地。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1196