鈣鈦礦太陽能電池（PSC）近年來發(fā)展迅猛，已成為最有潛力的下一代光伏技術之一。然而，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和制備工藝仍存在一些挑戰(zhàn)，阻礙著 PSC 的大規(guī)模應用。提高鈣鈦礦電池效率和穩(wěn)定性的一個重要方法是缺陷鈍化，以減少缺陷態(tài)和陷阱態(tài)，提高電荷載流子傳輸效率。

在最近發(fā)表在《Nature》期刊的一項重要研究中，由香港城市大學馮憲平教授和英國牛津大學 Henry J. Snaith 教授共同領導的團隊，發(fā)展出了一種具有突破性的水活化動力鈍化策略，為高效且穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池技術的實現(xiàn)鋪平了道路。

【水活化動力鈍化技術：突破性新策略！】

這項研究的關鍵是開發(fā)了一種新的鈍化材料——阻礙脲/硫代氨基甲酸酯鍵 Lewis 酸堿材料（HUBLA）。這種材料利用水活化動力鍵合，能夠在鈣鈦礦材料中動態(tài)形成新的鈍化劑，以修復材料中的缺陷，進而提高器件效率和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的鈍化材料通常只能在制備過程中被施加，而在裝置運作后其效果就會減弱或消失。HUBLA 突破了傳統(tǒng)技術的限制，它能夠在環(huán)境中的水分和熱量的作用下動態(tài)地進行修復，類似于“自我修復"功能。

HUBLA 的工作機制

HUBLA 在水存在的情況下會產(chǎn)生新的鈍化劑，以封堵材料的缺陷。這些鈍化劑可以與鈣鈦礦中的碘空位、無機陽離子等缺陷進行作用，抑制電荷復合，進而提高器件的效率和穩(wěn)定性。 更值得關注的是，HUBLA 材料還能根據(jù)周圍環(huán)境中的熱量進行自我調(diào)整，在加熱條件下生成新的鈍化劑。這種“熱活化"特性為HUBLA 鈍化材料帶來了更高的應用彈性，在多種環(huán)境條件下都可以發(fā)揮有效的鈍化作用。

【HUBLA 鈍化技術：實現(xiàn)高效和穩(wěn)定性！】

研究團隊以 HUBLA 鈍化材料制備了高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。阻礙脲/硫代氨基甲酸酯鍵 Lewis 酸堿材料（HUBLA）能優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的原因主要包括以下幾點：

l   鈍化缺陷： 鈣鈦礦材料中常存在缺陷，這些缺陷會成為電子-空穴復合中心，降低電池的效率。HUBLA材料可以通過與鈣鈦礦表面的未配位金屬離子或缺陷位點發(fā)生反應，鈍化這些缺陷，減少復合過程，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

l   改善接口質(zhì)量： 在鈣鈦礦太陽能電池中，鈣鈦礦層與電極之間的接口質(zhì)量對于電池性能至關重要。HUBLA材料能改善這些接口的質(zhì)量，提高接口處的電荷傳輸效率，減少電荷復合，從而提升電池性能。

l   穩(wěn)定性增強： 鈣鈦礦材料本身容易受環(huán)境因素（如濕度、氧氣、光照等）的影響而降解。HUBLA材料可以提供一種保護層，防止環(huán)境因素對鈣鈦礦材料的侵蝕，顯著增強電池的穩(wěn)定性和壽命。

l   能級匹配優(yōu)化： HUBLA材料具有Lewis酸堿性質(zhì)，可以調(diào)整鈣鈦礦材料與電極之間的能級匹配，從而優(yōu)化電荷注入和提取過程，減少能量損失，提高電池的開路電壓和填充因子。

實驗結果顯示，采用 HUBLA 鈍化的鈣鈦礦太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率可達 25.1%。此外，該器件在 85℃ 下氮氣氣氛中老化 1500 小時后，仍能保持初始效率的 94%，而在此溫度下以及 30% 相對濕度（RH）空氣中老化 1000 小時后，其效率仍能維持初始效率的 88%。

【研究結果：重大的科學突破和應用前景】

這項研究的成功不僅證明了水活化動力鈍化策略的可行性，而且展現(xiàn)了HUBLA 在提高鈣鈦礦太陽能電池性能和穩(wěn)定性方面具有巨大潛力。該研究團隊認為，這項技術突破有望為未來鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展提供新思路，加速其商業(yè)化應用。

未來，該研究團隊將繼續(xù)優(yōu)化HUBLA 材料，探索更多水活化動力鈍化策略，開發(fā)更加穩(wěn)定高效的鈣鈦礦太陽能電池，為實現(xiàn)低成本、高效清潔能源目標而努力。

總結

香港城市大學 Feng Shien-Ping 教授領導的研究團隊，利用新穎的水活化動力鈍化策略，顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。HUBLA 材料能夠在環(huán)境水分和熱量作用下，動態(tài)修復鈣鈦礦材料缺陷，使器件在不同環(huán)境下都具有良好的性能表現(xiàn)。 這一研究成果標志著鈣鈦礦太陽能電池技術發(fā)展的一個重大突破，將為未來推動光伏技術發(fā)展具有深遠的影響。

重要技術參數(shù):

鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率： 25.1%

熱穩(wěn)定性： 在 85℃ 下氮氣氣氛中老化 1500 小時后，仍能保持初始效率的 94%

濕穩(wěn)定性： 在 85℃ 和 30% 相對濕度（RH）空氣中老化 1000 小時后，其效率仍能維持初始效率的 88%。

關鍵材料: 阻礙脲/硫代氨基甲酸酯鍵 Lewis 酸堿材料（HUBLA）

關鍵技術: 水活化動力鈍化策略

參考文獻

Water- and heat-activated dynamic passivation for perovskite photovoltaics

Nature 2024

【本研究參數(shù)圖】

Fig S5.    羥基和異氰酸酯基之間的反應。(a) 羥基和異氰酸酯基反應的化學方程式。(b) NCO-AS 與 IPA 反應 30 分鐘的 1H-NMR 光譜。對于（b）和（c）、 0 分鐘后加入 IPA。

Fig S6. HUBLA 的交聯(lián)機制。兩個過氧化物晶體 一般不能結合在一起，因為在接口上沒有相互作用或結合。交聯(lián)機制 相反，如果在包晶表面涂上 HUBLA，HUBLA 就能在接口上解離和結合，部分 HUBLA 就能與包晶結合在一起。HUB 可以在接口上解離和結合，部分 HUB 可以在兩個晶體的接口上誘導交聯(lián)（白色球代表 -N+H3

Fig S14. 原始和 HUBLA 涂層過氧化物晶體的穩(wěn)態(tài) PL 和 TRPL。插圖為透輝石晶體的照片和穩(wěn)態(tài) PL

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     l 系統(tǒng)光學設計可容易的做紅外擴展，波長由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜樣品都可相容測試。

文獻參考自 Nature 2024  DIO: 10.1038/s41586-024-07705-5

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