鈣鈦礦太陽能電池：高效、穩定的器件性能

　　穩定性、可放大性以及分子界面工程是目前鈣鈦礦太陽能電池（PSC）面臨的幾個重要挑戰。近期，中山大學的畢冬勤教授等人與瑞士洛桑聯邦理工大學的Michael Graetzel教授在Nature Communications上合作發表題為“Multifunctional molecular modulators for perovskite solar cells with over 20% efficiency and high operational stability”的文章中，闡述了多功能分子調節劑的分子工程，并且利用固態核磁（NMR）研究了其在穩定、高效、FAxCs（1-x）PbI3 鈣鈦礦太陽能電池器件中的作用機理。

　　太陽能作為清潔可再生能源，并且資源豐富，如何高效利用成了科學家的重要研究方向。III-V族元素構成的多結太陽能電池因其能提供極高的效率，已用于聚光光伏領域，但由于成本高昂無法與硅技術競爭。雜化有機-無機鈣鈦礦材料因其對可見光的強吸收，能帶可控，電荷空穴的長分離路徑等出色的光伏特性而受到廣泛的關注。鈣鈦礦太陽能電池(PSC)因為具有低成本加工，原料豐富以及空前的高光電轉換效率（PCE）被認為是下一代最具有競爭力的光伏技術。盡管FAxMA(1-x))PbI3 材料體系的PSC已經獲得了>23%的光電轉換效率，但是它的穩定性、可放大性和分子界面工程仍然是亟待解決的問題。科學家們正在努力采用分子添加劑來解決這些問題，然而這些添加劑在分子層面上的作用機理多屬推測，原因是由于材料結構-器件性能之間的構效關系尚不清晰。作者的這篇文章將通過理性的分子設計并結合固態核磁技術從原子層面上來闡述這一構效關系。

　　在材料選擇上，針對有機MA/FA陽離子的存在制約了器件的穩定性，作者采用了具有相對光熱穩定性和單一鹵素成分的FAxCs（1-x）PbI3作為光敏材料；在制備方法上，針對反溶劑方法難以實現大面積器件的制備的問題，作者使用了真空閃蒸法來制備鈣鈦礦薄膜；在研究策略上，由于溶液法低溫制備得到的多晶鈣鈦礦薄膜晶界和界面處存在大量缺陷，鈣鈦礦表面的每個晶面的缺陷密度均不同。多晶薄膜表面存在很多取向：（110）、（202）、（310）和（314）。研究表明，僅（100）不帶電，其它均為帶電晶面，故會存在其它離子來平衡表面電荷。

　　另外，不同晶面的有機成分的結合能不同，使得表面缺陷密度表現為晶面依賴性。這些缺陷態既誘導載流子非輻射復合，又易于產生離子遷移及水/氧滲透等，影響器件整體的穩定性，為此，作者嘗試了一系列具有不同官能團的有機分子并將其作為分子調節劑，5-Phenyl-1H-1,2,4-triazole-3-thiol (1), 5-Phenyl-1H-tetrazole, Thiophenol (2), 1-(4-Hydroxyphenyl)-1H-tetrazole-5-thiol (3), 1-(3-Aminophenyl)-5-Mercapto-Tetrazole (4), 1-Methyl-5-tetrazolethione（5）。作者發現這些含有-SH的分子能顯著增加晶粒尺寸并與未飽和金屬離子的鍵合作用可以減少了缺陷態，減少非輻射載流子復合的中心，其中，以分子（5），簡稱S，的作用最為明顯。

　　作者還研究發現，鈣鈦礦薄膜具有較粗糙的表面，并存在一些微米級的褶皺。其形成原因有可能是在鈣鈦礦中間相變為鈣鈦礦相的過程中，由于晶格常數變化過大所產生的較大的應力。然而，加入MACl(6), FACl(7), Anilinium iodide (8)以后，褶皺會消失，鈣鈦礦薄膜表面會變得更加平整，晶粒也變得更大,其中，以分子（8），簡稱N，的作用最為明顯。研究發現，這些分子可以減緩鈣鈦礦的結晶過程，促進晶粒的擇優取向生長從而降低晶粒生長過程中產生的應力以減少褶皺的形成。而表面平整的鈣鈦礦薄膜有利于形成更加均勻連續的電子傳輸層，從而有利于器件性能提升。因此，作者就設計了兼具這兩個功能基團的雙功能分子SN。它具有同時與鈣鈦礦表面作用并鈍化缺陷態的作用。進一步地，通過兩種作用的關聯，分子調節劑采用了一種獨特的互變異構形式，產生了額外的氫鍵作用點，同時保持了足夠的憎水性能來提高材料的抗濕性。最后，固態NMR結果顯示這些分子調節劑還可以作為分子導向劑，改善結晶性能，增大晶粒尺寸提高材料性能。結果，作者制作的1cm2的PSC獲得了>20%的光電轉換效率。最重要的是，采用此方法的PSC具有很高的工作狀態下的穩定性。

S，SN，N分子結構示意圖。

　　因此，作者將采用這種方法應用到更先進的分子調節劑上去追求更加高效、穩定的PSC。作者希望該工作將激發原子層面的表征如固態NMR在更多鈣鈦礦材料表征上的廣泛應用，進一步揭示光伏器件內部的作用機理。?