学术报告：银配位诱导n型掺杂提升倒置钙钛矿太阳能电池的稳定性与效率

作者及研究机构

这项研究的主要作者和机构包括Cheng Gong、Haiyun Li、Huaxin Wang、Cong Zhang、Qixin Zhuang（隶属重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室）、Awen Wang、Xiong Li（隶属华中科技大学武汉国家光电子实验室）以及Zhigang Zang（隶属燕山大学信息科学与工程学院）。此研究发表于2024年6月，期刊为《Nature Communications》。

研究背景

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, 简称PSCs）在光电领域展现了巨大的潜力，其光电转换效率近年来不断提升。然而，其商业化应用受到长期运行稳定性不足的问题限制。一些研究表明，金属电极（如Ag、Al或Cu）和钙钛矿材料之间离子扩散和化学反应是PSCs退化的主要原因之一。特别是在内建电场或光照条件下，金属迁移、电极腐蚀等不可逆变化严重影响了器件的使用寿命。

目前，研究者常通过物理惰性屏障和化学防腐策略来减少金属扩散和电极腐蚀。然而，这些方法虽然改善了稳定性，但对提升功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）的贡献较有限，甚至会有所损害。因此，开发能够同时提高PSCs效率和稳定性的新策略是研究的热点。

该研究提出了一种基于4,4’-二氰基-2,2’-联吡啶（4,4’-dicyano-2,2’-bipyridine, DCBP）的“银配位诱导n型掺杂”策略（CIN，Coordination-Induced n-Doping），通过对电子传输层[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯（PCBM）掺杂，来实现对钙钛矿层和Ag电极的保护。

研究流程

总体研究框架

研究采用实验验证和理论模拟结合的方式，设计并验证了DCBP分子在防止Ag和碘化物迁移以及提升PCBM电子传输能力方面的作用，主要包括以下几部分： 1. DCBP分子与PCBM掺杂膜的制备及机制研究； 2. 深入分析CIN策略对Ag电极和钙钛矿层保护作用的影响； 3. 研究CIN策略对材料电性能和电场分布的优化； 4. 评估CIN策略对PSCs效率提升和长期稳定性的影响。

详细研究过程与实验方法

1. 材料制备与分子机理研究 研究者合成了包含DCBP的PCBM掺杂膜。通过密度泛函理论（DFT）计算，分析了DCBP分子的电势分布、分子偶极子、以及HOMO-LUMO轨道结构。研究聚焦于其吡啶中的高亲核性氮原子，以及其氰基与碘化物的相互作用。研究显示，DCBP分子能够与Ag电极发生强配位作用，同时其氰基与钙钛矿表面碘原子间存在明显的电荷转移。

相关实验涉及: - X射线光电子能谱（XPS） 与 俄歇电子能谱（AES）：通过分析BDC-Coordinated-Ag样本的结合能和俄歇电子动力学能量，确定Ag的价态变化及电子释放机制； - 飞行时间质谱（TOF-MS）：验证[Ag(DCBP)+]复合物的形成； - 红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）：研究DCBP与Ag以及碘之间的化学作用。

2. CIN对Ag电极和钙钛矿层的保护 通过飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）深度剖析技术，分别对CIN策略前后的样本进行热老化和光老化对比。研究显示，无DCBP修饰的PSCs在800小时光照后，Ag电极和钙钛矿层发生严重退化，而掺杂DCBP的样本碘和Ag迁移被显著抑制。实验还结合扫描电子显微镜（SEM）表征了Ag电极老化前后的形貌变化。

3. 电性能与电场分布优化 研究通过电子自旋共振（ESR）和紫外光电子能谱（UPS）证明DCBP分子释放的自由电子被PCBM掺杂层吸收，从而形成了n型掺杂效应，提升了PCBM薄膜电子迁移率和电导率。此外，通过扫描电镜（SEM）、电子瞬态光电流测量和开尔文探针力显微镜（KPFM），研究了垂直电场分布的改进，以及DCBP对界面非辐射复合的抑制作用。

4. 光伏性能与稳定性测试 在模拟太阳光照（AM1.5）下，研究对比了CIN策略对PSCs效率和稳定性的影响。实施最大功率点追踪（MPPT）测试评估了设备长期运行性能，并在高温高湿条件（85 °C, 85%相对湿度）下验证其阻湿耐久性。

主要研究结果

1. 改善的Ag电极和钙钛矿层保护 研究明确显示，DCBP分子通过配位作用形成了CIN系统，从而有效抑制了Ag和碘的双向迁移行为。老化实验中，配备CIN策略的设备展现出电极形貌和钙钛矿晶体结构的显著保护效果，有效延长了长期稳定性。

2. n型掺杂效应的实现 实验和理论均表明，DCBP与Ag的配位反应诱导了PCBM层的n型掺杂效应。此效应增强了层间电子传输能力，减少了电子-空穴复合，大幅优化了界面电势差。

3. 设备性能提升 实施CIN策略的设备展现出26.03%的最高光电转换效率（认证效率25.51%），其非辐射电压损失仅为126 mV。此外，该设备在2500小时连续光照测试中，保持了95%以上的初始效率；在85 °C和85%湿度条件下老化1500小时后，仍保有90%以上效率。

研究结论与价值

该研究提出了创新性的CIN策略，通过选择特定的吡啶分子DCBP，提高了钙钛矿太阳能电池的效率和长期稳定性，不仅有效抑制金属和离子迁移，还有助于优化电子传输性能。研究展现出此策略在光伏领域高效、稳健设备开发中的潜力，尤其适用于高温和高湿环境。

研究亮点

1. 提出银配位诱导的n型掺杂策略，为改善钙钛矿太阳能电池性能提供了新路径；
2. 实现了兼顾电子传输效率和稳定性的深度优化；
3. 提供了相关离子-金属迁移机制的原理性理解以及技术实现。

附加信息

本研究为钙钛矿太阳能电池长期应用带来了积极意义，创新方法不仅有助于学术研究，也为产业化提供了可行解决方案。