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導言
鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率和低成本而備受關注，但其長期穩定性一直是製約商業化的主要瓶頸。特別是在高效率器件中，鈣鈦礦與基底的界麵往往是結構最脆弱的部分，容易在高溫和光照射下發生退化。近期，華東理工大學的科研團隊在《Advanced Materials》期刊上發表了一項創新性研究成果，提出了一種通過多點和雙麵錨定策略增強鈣鈦礦-基底界麵穩定性的方法。該研究開發了一種新型聚合物空穴傳輸層（HTIL）PTPY，通過在ITO基底和鈣鈦礦層之間形成強健的化學鍵合，顯著提升了器件的機械強度和電子質量。實驗結果顯示，基於PTPY的PSCs不僅實現了高達26.8%的光電轉換效率（PCE），而且在85°C的條件下經過1500小時的最大功率點（MPP）跟蹤測試後，仍能保持初始效率的98%。這一成果為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和效率提升提供了重要的理論和實驗依據。
分享一篇來自華東理工大學吳永真團隊的新研究成果，本文以“Reinforced Perovskite-Substrate Interfaces via Multi-Sited and Dual-Sided Anchoring"為題發表於期刊Advanced Materials。希望對您的科學研究或工業生產帶來一些靈感和啟發。
正文
界麵粘附增強
研究團隊通過對比傳統的聚合物HTIL PTAA和新型PTPY，發現PTPY中的吡啶基團能夠與ITO基底和鈣鈦礦表麵形成強健的化學鍵合。通過密度泛函理論（DFT）計算，PyTPA（PTPY的活性單元）與ITO的結合能為-1.37 eV，遠高於PTAA的-0.34 eV；與鈣鈦礦表麵的結合能為-1.01 eV，同樣遠高於PTAA的-0.24 eV。實驗中，通過剝離測試發現，基於PTAA的鈣鈦礦薄膜可以輕易地從ITO基底上剝離，而PTPY則能顯著增強鈣鈦礦與ITO基底之間的粘附力。雙懸臂梁（DCB）測試進一步證實了PTPY基樣品的接口斷裂能量（GC）顯著高於PTAA基樣品（平均GC從0.57 J/m²提升至2.41 J/m²），表明PTPY顯著增強了界麵的機械完整性。
界麵鈍化增強
PTPY不僅增強了機械粘附，還通過其吡啶基團有效鈍化了鈣鈦礦表麵的缺陷。實驗結果顯示，基於PTPY的鈣鈦礦薄膜的光致發光（PL）強度遠高於PTAA，其光致發光量子產率（PLQY）分別為13.3%和2.1%。時間分辨光致發光（TRPL）測試表明，PTPY鈍化的鈣鈦礦具有更長的 Shockley-Read-Hall 壽命（1.76 μs對比PTAA的0.92 μs）。此外，PTPY鈍化的鈣鈦礦薄膜實現了更高的準費米能級分裂（QFLS）值（1.22 eV對比PTAA的1.15 eV），表明PTPY顯著提升了鈣鈦礦薄膜的電子質量。
圖1 a）和（b）在PTAA和PTPY上沉積的鈣鈦礦薄膜的穩態光致發光（PL）手机看片91AV和時間分辨光致發光（TRPL）衰減特性。（c）在PTAA和PTPY上沉積的鈣鈦礦薄膜的準費米能級分裂（QFLS）值。（d）鈣鈦礦在與TPA或PyTPA接觸前後不同缺陷（碘空位：VI，鉛碘反位缺陷：PbI，以及間隙鉛：Pbi）的表麵能。注意，FAI和PbI分別表示FAI終止的（001）麵和PbI終止的（001）麵。（e）分子與各種缺陷之間的結合能（Eb）。（f）有缺陷和經TPA與PyTPA鈍化後的表麵的投影態密度。價帶頂的能級設定為零。（g）TPA和PyTPA組裝在帶有Pbi缺陷的PbI終止鈣鈦礦表麵的理論模型。藍色區域表示電子耗盡，黃色區域表示電子積累。（h）分子與Pbi缺陷的PbI終止鈣鈦礦表麵之間的計算電荷密度差。灰色帶表示分子與鈣鈦礦表麵之間的界麵。
光伏性能
基於PTPY的PSCs在性能上也表現出色。在反向掃描中，PTPY基器件實現了26.8%的PCE，而PTAA基器件僅為23.6%。PTPY基冠*器件展現出1.19 V的開路電壓（VOC）、26.3 mA cm-2的短路電流密度（JSC）和86.1%的填充因子（FF）。外部量子效率（EQE）手机看片91AV顯示，PTPY基器件的集成電流密度與J-V測量結果高度一致。此外，PTPY還展現出良好的可擴展性，在1 cm²的大麵積器件中實現了24.9%的高效率。
圖2 光伏性能。（a）以PTAA和PTPY為HTILs的20個小麵積器件的VOC、FF、JSC和PCE的統計分布。（b）基於PTPY的1.53 eV帶隙的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的冠*器件的J–V曲線。器件的工作麵積為0.08平方厘米。（c）基於PTPY的器件的外量子效率（EQE）手机看片91AV。（d）以PTAA和PTPY為HTILs的大麵積器件的PCE值統計。20個PSC器件效率的直方圖。（e）基於PTPY的冠*PSC的工作麵積為1.00平方厘米的J–V曲線。
材料和器件穩定性
PTPY展現出優異的光熱穩定性。在85°C的條件下連續加熱48小時後，PTPY的吸收手机看片91AV幾乎無變化，而傳統的Me-4PACz則發生了顯著變化。熱重分析（TGA）顯示，PTPY的熱分解溫度超過450°C，遠高於Me-4PACz的290°C。在85°C的氮氣氛圍中，未封裝的PTPY基器件在持續加熱1900小時後仍能保持初始PCE的97%，而PTAA基器件僅保持71%。在85°C的MPP跟蹤測試中，PTPY基器件在1500小時後仍能保持初始PCE的98%，而PTAA基器件則下降了35%。在-40到85°C的熱循環測試中，PTPY基器件在900個循環後仍能保持初始效率的93%，而PTAA基器件僅保持56%。
圖3 器件穩定性。（a）在氮氣氛圍下（ISOS-D-2l程序）以85°C恒溫加熱的未封裝PTAA和PTPY基器件的熱穩定性。（b）從PTAA和PTPY基器件中獲得的鈣鈦礦底層表麵的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，分別在85°C加熱約1900小時前後（標尺，1微米）。（c）在85°C下持續一陽光光照（ISOS-L-2程序）的封裝PTAA和PTPY基器件的持續最大功率點（MPP）跟蹤。（d）在85°C下進行MPP跟蹤1500小時前後，基於PTAA和PTPY的器件的橫截麵掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（標尺，500納米）。（e）封裝的PTAA和PTPY基器件的熱循環耐久性（-40至85°C）（ISOS-T-3程序）。
穩定性增強機理
通過從頭算分子動力學（AIMD）模擬，研究團隊發現，在300K和400K的溫度下，PyTPA分子傾向於緊密錨定在ITO和鈣鈦礦表麵，而TPA分子則容易在高溫下從界麵脫離。經典分子動力學（CMD）模擬進一步證實了PTPY在300至400K的溫度範圍內能保持穩定的界麵相互作用，而PTAA則表現出界麵分離增大的趨勢。這些模擬結果為實驗觀察到的PTPY介導的界麵熱穩定性提升提供了理論支持。
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結論
本研究通過在常用的聚合物HTIL PTAA中引入吡啶基團，開發出一種新型雙麵錨定聚合物HTIL PTPY。PTPY通過與ITO基底和鈣鈦礦層形成多維相互作用，顯著增強了界麵的機械穩定性和電子連接性。基於PTPY的PSCs不僅實現了創紀錄的26.8%的PCE，還在嚴苛的操作條件下展現出卓*的穩定性。這項研究為鈣鈦礦太陽能電池的界麵工程提供了新的視角，有望推動其在實際應用中的進一步發展。
通訊作者及其團隊介紹
吳永真，華東理工大學教授，研究方向為有機光電材料與器件、分子工程等。其領導的團隊在鈣鈦礦太陽能電池領域取得了多項重要成果，為推動鈣鈦礦太陽能電池的性能提升和穩定性增強做出了重要貢獻。
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