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中科院化学所AM:COF晶界原位聚合,钙钛矿电池效率稳定性双提升

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钙钛矿太阳能电池功率转换效率快速提升,但因溶液加工简便、结晶动力学快,多晶钙钛矿薄膜中仍存在晶界欠配位离子和悬挂键等高密度缺陷,降低开路电压和填充因子;空位缺陷还会引发持续离子迁移,造成晶格畸变、相分离以及光照或热暴露下的不可逆衰减。传统添加剂常功能单一、只针对特定缺陷类型,甚至可能引入新缺陷;共价有机框架(COF)虽具有丰富官能团、周期孔道和优异化学稳定性,却因刚性芳香骨架带来强π–π堆叠和范德华作用,在常规溶剂中分散性极差,聚集体可能成为杂质和非辐射复合中心,反而抵消钝化效果。 因此,如何避免COF团聚并同时实现结晶调控与缺陷钝化,成为提升COF基钙钛矿太阳能电池性能的关键挑战。

针对这一问题,中国科学院化学研究所于贵研究员、王吉政研究员、张卫锋研究员、陈智慧博士合作,提出基于COF的协同组装策略(SAS):将THF9和TP两种COF单体分别引入钙钛矿前驱体溶液和反溶剂,在退火过程中于晶界原位聚合形成COF网络,从而避免预合成COF的团聚问题,并通过氢键和配位协同调控结晶动力学、钝化缺陷、抑制离子迁移并增强薄膜疏水性。SAS处理的倒置钙钛矿太阳能电池获得26.74%的功率转换效率(PCE)和优异长期稳定性,为高效稳定钙钛矿太阳能电池的材料设计提供了新思路。相关论文以“In Situ Polymerization of Covalent Organic Frameworks Networks for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”为题,发表在Advanced Materials上。


研究首先从分子结构和界面相互作用层面确认SAS机制:从分子结构看(图1a),THF9中高电负性F和O原子作为氢键受体,与FA⁺的N─H基团形成N─H···F和N─H···O氢键,其长链全氟烷基作为疏水单元;TP结构中的羰基作为路易斯碱位点,与未配位Pb²⁺形成强配位键。核磁共振(NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)进一步证实上述氢键与配位作用(图1c、图1d)。两种单体仅在旋涂和退火时相遇并原位聚合,使COF网络在晶界形成,既避免溶液过早聚合,又协同钝化缺陷、调控晶体生长并促进α相取向生长(图1b)。X射线光电子能谱(XPS)结果显示,SAS样品的Pb 4f位移大于直接添加COF的W/COF样品,说明单体均匀分散后与钙钛矿形成更紧致、更均匀的复合界面和更强配位作用(图1e)。


图1 TP-THF9 COF的分子结构及TP-THF9 COF与钙钛矿之间的相互作用。(a)TP-THF9 COF及其单体的分子结构。(b)在无或有COF协同组装策略时,钙钛矿成膜过程中成核与结晶可能相演变的示意图。(c)FAI、THF9/FAI和THF9/FAI/PbI₂的¹H NMR谱。(d)FAI、THF9和THF9/FAI的FTIR谱。(e)对照组、直接添加COF以及采用基于TP-THF9 COF的SAS的钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS谱。

在此基础上,SAS显著改善薄膜光电性质和电荷复合动力学:SAS薄膜稳态光致发光(PL)强度最高,时间分辨光致发光(TRPL)寿命由对照615 ns延长至1318 ns,W/COF为871 ns(图2a、图2b);飞秒瞬态吸收寿命和光致发光量子产率(PLQY)同步提高,表明非辐射复合被有效抑制。空间电荷限制电流(SCLC)测试显示SAS薄膜电子和空穴陷阱密度均进一步降低(图2c、图2d);温度依赖电导测得离子迁移活化能由对照0.18 eV提高到W/COF 0.23 eV和SAS 0.27 eV,说明SAS对离子迁移的抑制更强(图2e);能级示意和开尔文探针力显微镜(KPFM)显示SAS使费米能级向导带底移动、表面电势提高约70 mV,有利于钙钛矿/电子传输层界面的电子提取(图2f、图2g–i)。


图2 钙钛矿薄膜的光电性质。(a)PL和(b)TRPL谱,对象为对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿薄膜。(c、d)基于对照组、W/COF和SAS处理钙钛矿薄膜的仅电子器件和仅空穴器件的J-V曲线。(e)对照组、W/COF和SAS钙钛矿薄膜的温度依赖电导。(f)对照组、W/COF和SAS钙钛矿薄膜能级排列的示意图。(g–i)对照组、W/COF和SAS处理钙钛矿薄膜的KPFM图像。

随后研究追踪成膜与结晶过程:原位PL显示SAS薄膜成核更快、非辐射复合更少(图3a–c);退火中荧光淬灭时间由对照31.5 s延长至W/COF 49.4 s和SAS 59.8 s。原位掠入射广角X射线散射(GIWAXS)显示α相出现时间由对照12 s提前至W/COF 9 s和SAS 6 s,δ相几乎完全转变为α相的时间由90 s缩短至30 s和24 s,表明SAS更利于δ→α相转变并提高结晶性(图3d–f)。掠入射X射线衍射(GIXRD)显示SAS薄膜拉伸应变更小,SEM显示SAS薄膜无明显缺陷且晶粒更大(图3g–i),平均晶粒尺寸达2.02 μm(对照1.25 μm、W/COF 1.56 μm),均方根(RMS)粗糙度降至11.3 nm(对照20.7 nm、W/COF 18.2 nm)。这些结果表明,晶界处原位形成的COF网络可稳定晶格结构并形成光滑、均匀、大晶粒薄膜。


图3 钙钛矿薄膜的结晶过程和薄膜质量。(a‒c)对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿薄膜在旋涂过程中的原位PL谱。(d‒f)对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿薄膜在退火过程中的原位GIWAXS谱。(g‒i)对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿薄膜的SEM图像。

最终器件性能验证策略有效性:SAS处理的倒置钙钛矿太阳能电池PCE达26.74%,高于对照24.72%和W/COF 26.19%,短路电流密度、填充因子和开路电压同时提升(图4a);光强依赖开路电压(VOC)测试中理想因子降至1.06 kBT/q(图4d),Mott–Schottky测得内建电压(Vbi)达1.00 V(图4e),表明陷阱辅助复合被抑制、电荷分离和传输能力增强。稳定性方面,SAS器件在20%相对湿度空气中1200 h后保持初始PCE的91.43%,在未封装、1-Sun、N2连续光照1200 h后保持90.04%,在未封装、85°C、N2中1000 h后保持87.71%,均明显优于对照和W/COF器件(图4f–h)。


图4 钙钛矿太阳能电池的光伏性能。(a)对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿太阳能电池在正扫和反扫下的J–V曲线。(b)对照组、W/COF和SAS处理的倒置钙钛矿太阳能电池的PCE统计。(c)本研究钙钛矿太阳能电池的光伏性能总结,以及与文献报道的其他COF-钙钛矿光伏研究的比较。(d)对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿太阳能电池的Voc对光强的依赖关系。(e)对照组、W/COF和SAS基器件的Mott–Schottky图。(f)对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿太阳能电池在20%相对湿度下的环境稳定性。(g)未封装对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿太阳能电池的光照稳定性。(h)对照组、W/COF和SAS处理的钙钛矿太阳能电池的热稳定性。

综上,该研究将两种COF单体分别置于钙钛矿前驱体溶液和反溶剂中,在退火过程中于晶界原位聚合形成COF网络,利用氢键和配位作用同时实现结晶调控、缺陷钝化和离子迁移抑制,避免预合成COF的分散与团聚难题。SAS处理的倒置钙钛矿太阳能电池实现26.74%的PCE,并在热、湿和连续光照条件下表现出显著增强的长期稳定性,展示了COF基协同组装策略在同时优化光电性能和稳定性方面的潜力,为高性能钙钛矿太阳能电池的材料设计提供了新见解。


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