钙钛矿光伏电池的认证效率（25.7%）已能媲美晶硅太阳能电池（26.7%）。然而作为光伏产品，钙钛矿光伏电池需要承受苛刻使用环境和长时间老化可靠性测试。众所周知，钙钛矿对空气和水分敏感，但这并不是最致命的问题。封装可以有效避免湿气和氧气对钙钛矿光伏电池的侵蚀破坏。但是，深入研究发现光照、温度、应力等因素也会影响器件效率和运行可靠性。另一方面，目前广泛使用的钙钛矿薄膜几乎都是通过前驱体溶液工程加工制备的。这其中始终存在一个普遍问题，即前驱体溶液会随着不同的配制保持时间，也会出现严重的老化问题。溶液随时间老化的问题会导致光伏电池光电性能重现性差，出现横向以及纵向对比器件之间严重光伏特性和稳定性差异。碘离子的氧化、有机阳离子的去质子化和有机胺-有机阳离子的反应被认为是溶液老化的重要原因。
鉴于此，我校原子尺度研究团队陈聪老师联合重庆大学相关研究团队发展了一种钙钛矿前驱液稳定和协同缺陷钝化策略，有效的解决的该领域存在的可靠性差、深能级缺陷态密度高等关键科学问题。具体是开发了一种含有-NHNH2和-COOH的3-肼基苯甲酸(3-HBA)作为稳定剂。该稳定剂中-NHNH2能够还原碘单质缺陷为碘离子，从而抑制碘离子的氧化。与此同时，-COOH产生的质子能够抑制有机阳离子的去质子化反应及胺-阳离子反应。通过-NHNH2和-COOH官能团的协同作用抑制了以上降解反应进而稳定前驱体溶液。同时，团队在NiOx基反式钙钛矿光伏电池上实现了23.3%的认证效率，是迄今为止报道的基于NiOx的反式钙钛矿光伏电池的最高认证效率之一。
相关研究结果于近日在材料化学领域顶级期刊——《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上发表（https://doi.org/10.1002/anie.202206914）。被评为当期的“hot paper”。论文的第一作者为我院2020级硕士研究生李梦佳同学，通讯作者为我院陈聪老师。我校是论文的第一通讯单位。重庆大学李海云同学，庄启鑫同学为论文的共同一作。重庆大学臧志刚教授、陈江照教授是该研究工作的共同通讯作者。该研究还得到了法国国家科学研究中心(CNRS) Thierry Pauporté教授的合作支持。
要点1：-NHNH2和-COOH协同稳定前驱体溶液
基于前期研究（Solar RRL, 2021, 5, 2100320.; J. Energy Chem., 2022, 69, 659-666.; Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2100529.; Chem. Soc. Rev., 2021, 50, 7250-7329.等），研究者发现将含有-NHNH2和-COOH的3-肼基苯甲酸(3-HBA)能够有效稳定前驱体溶液。随后对其作用机理进行了探究，通过在前驱体溶液中添加各种含有-COOH或-NHNH2官能团的添加剂分子，对老化溶液制备的薄膜进行X射线衍射分析，对含有3-HBA以及苯甲酸的溶液进行核磁共振氢谱测试以及氢碘酸溶液的紫外吸收谱图测试，确定了3-HBA中的-NHNH2可以将碘单质缺陷还原为I-，从而抑制I-的氧化。3-HBA中的-COOH通过可逆平衡电离反应产生的H+可以抑制有机阳离子的去质子化和随后的胺-阳离子反应。通过-NHNH2和-COOH的协同作用同时抑制降解反应，从而稳定前驱体溶液。
图1. 前驱体溶液的化学反应过程和溶液老化抑制机理示意图。
要点2：3-HBA能够有效钝化深能级缺陷
基于NiOx的反式钙钛矿光伏电池的PCE远低于基于有机空穴传输材料的常规钙钛矿光伏电池。由晶界缺陷引起的非辐射复合是阻碍光伏性能提高的关键因素之一。研究人员通过X射线光电子能谱，傅里叶红外以及核磁共振氢谱，碳谱测试分析发现3-HBA中的-COOH与Pb2+存在强化学相互作用。随后通过空间电荷限制电流，瞬态光电流和电化学阻抗等一系列测试揭示了该策略对钝化晶界缺陷、降低缺陷态密度、增加载流子寿命、提升器件光伏性能的积极作用，。
要点3：获得基于NiOx的高效与高稳定的反式钙钛矿光伏电池
研究人员通过制备不同结构，不同组分的钙钛矿光伏电池，通过测试其性能，发现3-HBA是一种通用的缺陷钝化剂，与器件结构和钙钛矿成分无关。并且经过3-HBA修饰的器件运行稳定性极佳，最大功率点跟踪601小时后仍保持初始效率的94%。
图2. 基于该溶液老化抑制策略制备的钙钛矿光伏电池的光电性能及稳定性测试结果。
图3. 由国家光伏产品质量检验检测中心、成都光伏产品质量检验研究院有限公司出具的光电转换效率PCE为23.33%的第三方认证报告（编号AGXB122W00197）。
综上所述，研究人员开发了一种抑制钙钛矿溶液老化的策略，有效的解决了该领域存在的可靠性差、深能级缺陷态密度高等关键科学问题，获得高效高稳定的NiOx基反式钙钛矿光伏电池。这项工作将有助于解决钙钛矿太阳能电池普遍存在的重复性差、可靠性低以及光电性能低等关键问题，有利于加速钙钛矿光伏电池的产业化应用进程。
该研究工作获得了国家自然科学基金（青年基金、区域联合基金重点项目）、中央引导地方科技发展资金项目、澳门青年学者计划以及河北省自然科学基金等项目的资助支持。
论文详细信息：
Mengjia Li1#, Haiyun Li2#, Qixin Zhuang2#, Dongmei He2, Baibai Liu2, Cong Chen1,4*, Boxue Zhang3, Thierry Pauporté3, Zhigang Zang2*, and Jiangzhao Chen2*. Stabilizing Perovskite Precursor by Synergy of Functional Groups for NiOx-Based Inverted Solar Cells with 23.5% Efficiency. Angewandte Chemie International Edition 2022,
Doi: 10.1002/anie.202206914.
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202206914
