南京工业大学教授秦天石、副教授王芳芳研究团队设计合成了一种多功能氟取代分子作为添加剂，该添加剂可以诱导钙钛矿薄膜形成更加有序的结晶，进而获得了高效、稳定的钙钛矿太阳能电池器件性能。近日，相关研究成果发表在《自然—通讯》。
新型多功能氟取代添加剂设计及钙钛矿薄膜结晶机制分析 课题组供图
钙钛矿型太阳能电池由于其低成本溶剂加工、制备工艺简单和能量转化效率高等优势已成为新型光伏领域最强有力的竞争者。但是，钙钛矿太阳能电池的商业化依然面临着湿、热、光等稳定性问题。研究证明，混合离子钙钛矿在连续光照下会发生相偏析。挥发性阳离子成分会引起钙钛矿薄膜中的针孔和残留碘化铅的形成，严重影响了在高温或潮湿条件下的器件性能。
王芳芳表示，研究发现，造成混合离子钙钛矿困境的根本原因是，由于中间相诱导的多种成核途径，导致其无法生长成均匀的高结晶性薄膜。钙钛矿材料是太阳能电池的吸光层（也叫光活性层），所以是黑色的，薄膜保持黑色才能保持光活性，才可以吸光发电，如果降解成黄色的碘化铅，电池就不能工作了。钙钛矿薄膜是由钙钛矿晶体构成的，钙钛矿薄膜中晶体排列越有序，缺陷就越少，被水或湿气攻击的位点就越少，所以越稳定。
针对上述问题，研究团队成功设计合成了一种多功能氟取代分子作为添加剂，该添加剂可以抑制多中间相的生成，促进定向结晶，诱导钙钛矿薄膜形成更加有序的结晶，进而获得了高效、稳定的钙钛矿太阳能电池器件性能。
“我们设计合成的新型添加剂材料，制备的钙钛矿太阳能电池实现了高达24.1%的效率，并表现出了优异的器件稳定性，连续光照1000小时或在≈50%湿度的空气环境中加速老化2000小时后，仍保持了其初始效率值的95%以上。”论文第一作者、南京工业大学硕士生李慕白说，加了添加剂的钙钛矿薄膜，不仅能抗击住空气中的少量水分，甚至直接放到水中浸泡5分钟以上仍不分解，而参比薄膜在1秒钟之内就分解掉了，团队设计的新型材料极大地提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36224-6