科学网—EMD｜清华大学康飞宇/韦国丹/伍成城等研究论文:双功能酰肼-吲哚添加剂助力提升钙钛矿太阳能电池效率与稳定性-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-8-3 10:32

| 个人分类: 能源材料与器件 | 系统分类: 论文交流

1 导读

本文引入了一种基于1H-吲哚-3-甲酰肼（1H-CBH）的双功能添加剂，用于提升钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性。该分子通过双重钝化机制，利用羰基与未配位Pb 2+ 配位，同时借助吲哚基团与I - /FA + 形成氢键，有效抑制了非辐射复合。该策略促进了大晶粒的生长，提升了载流子寿命及界面相容性，使混合阳离子器件的光电转换效率达到23.59%。此外，修饰后的器件在环境条件下展现了卓越的稳定性。该工作为通过多功能分子添加剂工程实现高效、高稳定性钙钛矿光电器件的设计提供了新方法。

2 背景介绍

钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借优异的光电性能和柔性加工优势，已成为极具前景的下一代光伏技术。目前，PSCs的认证能量转换效率（PCE）已达27%，但在接近30.14%的理论极限方面仍面临挑战。其中，钙钛矿薄膜体相及界面处的缺陷诱导非辐射复合是限制效率进一步提升的核心瓶颈，这些陷阱态会导致显著的开路电压损失及稳定性下降。

针对该问题，添加剂工程被广泛用于钝化缺陷和调节结晶。然而，传统溶剂添加剂（如DMSO）易挥发，而部分小分子有机添加剂与晶格相互作用较弱，均难以实现持久有效的钝化。本研究引入了高稳定性、强配位能力的医药级分子1H-吲哚-3-甲酰肼。与挥发性添加剂不同，1H-CBH能稳固嵌入钙钛矿结构当中, 其羰基氧与未配位的Pb 2+ 配位，-NH 2 基团与 FA + 阳离子形成氢键，吲哚环的N-H基团则与I - 结合。

这种双重钝化机制显著降低了深陷阱密度，优化了界面电荷动力学。实验结果表明，引入1H-CBH后，FAMA混合阳离子体系的PCE从21.18%跃升至23.59%，且开路电压和填充因子均大幅改善。此外，在1 cm 2 大面积器件上，PCE也从13.33%提升至15.60%，充分证明了该策略在制备高效、稳定且可扩展PSCs方面的巨大潜力。

3 图文介绍

图1：1H-CBH对钙钛矿结晶的改善：(a-b) 对照组 (a) 和经1H-CBH处理的 (b) 钙钛矿薄膜的俯视SEM图像；(c) 未添加与添加1H-CBH的钙钛矿薄膜的晶粒尺寸分布；(d-e) 对照组 (d) 和经1H-CBH处理的 (e) 薄膜的AFM高度图；(f) 具有不同1H-CBH浓度的钙钛矿薄膜的XRD 图谱；(g-h) 对照组 (g) 和经1H-CBH修饰的 (h) 钙钛矿薄膜与空穴传输层(PTAA) 的接触角；(i) 对照组（左）和经1H-CBH处理的（右）样品在不同入射角下的GIXRD图谱。

图2：1H-CBH与钙钛矿之间的分子相互作用：(a) 纯 1H-CBH、1H-CBH+钙钛矿以及纯钙钛矿的FTIR光谱；(b-e) 未钝化和1H-CBH钝化的钙钛矿薄膜的Pb 4f (b)、O 1s (c)、I 3d (d)和N 1s (e) 的XPS谱图；(f) 纯FAI、纯1H-CBH、1H-CBH+PbI 2 以及1H-CBH+FAI的 1 H NMR谱图。

图3：钙钛矿太阳能电池的光伏性能：(a) 器件结构示意图；(b) 未添加和添加1H-CBH的基于甲脒的钙钛矿太阳能电池的 J-V 特性曲线；(c) 经1H-CBH处理的器件的EQE光谱及积分短路电流密度值；(d-e) 未添加和添加1H-CBH添加剂的基于甲脒的钙钛矿太阳能电池的开路电压 (d) 和能量转换效率 (e) 分布统计；(f) 未添加和添加1H-CBH的1×1 cm 2 大面积钙钛矿太阳能电池的 J-V 特性曲线；(g) 未添加和添加1H-CBH的基于FAMA混合阳离子的 PSC的 J-V 特性曲线；(h-i) 未添加和添加1H-CBH添加剂的基于FAMA混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的开路电压 (h) 和能量转换效率 (i) 分布统计。

图4：1H-CBH在结构——性能关系中的作用：(a) 纯电子器件结构示意图；(b) 未添加和添加1H-CBH的钙钛矿太阳能电池的空间电荷限制电流曲线；(c) 未添加和添加1H-CBH的钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱；(d) 未添加和添加1H-CBH的钙钛矿薄膜的稳态光致发光光谱；(e) 未添加和添加1H-CBH的钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光谱；(f) 对照组和1H-CBH修饰的钙钛矿薄膜的晶面间距与掠入射角正弦平方的关系；(g) 未添加和添加1H-CBH的PSC 的暗态 I-V 曲线；(h) 未添加和添加1H-CBH的PSC的Mott-Schottky曲线；(i) 未添加和添加1H-CBH的PSC的电化学阻抗谱。

图5：稳定性测试：(a-b) 未添加 (a) 和添加 (b) 1H-CBH的钙钛矿薄膜在环境大气下（25℃，50%-80%相对湿度）老化24小时、48小时和8个月后的XRD图谱；(c) 相应的钙钛矿太阳能电池在未封装条件下，置于25℃、25%相对湿度的氮气充满环境中的持续运行稳定性测试。

4 总结与展望

本研究证明了1H-吲哚-3-甲酰肼作为一种多功能添加剂，在钙钛矿太阳能电池的缺陷钝化和性能优化中具有显著作用。通过全面的形貌、光谱和电学表征，我们揭示了钙钛矿体系中的多重钝化机制。首先，1H-CBH的羰基氧原子与未配位Pb 2+ 之间形成的配位键，有效钝化了金属相关缺陷。其次，其吲哚部分的N-H基团与未配位的I - 通过氢键相互作用，抑制了卤化物相关的陷阱态。最后，-NH 2 基团与钙钛矿晶格中FA阳离子的氢原子形成了氢键，进一步增强了晶体结构的稳定性。这种协同钝化策略系统地消除了深层陷阱态，最大限度地减少了非辐射复合损失，并增强了钙钛矿层与电子传输层之间的界面相容性。因此，该多功能添加剂工程方法显著提高了电荷提取效率并优化了能级排列，为开发高性能钙钛矿光电子器件提供了强大的技术框架。

实验结果显示，在基于FA的钙钛矿器件中掺入1.0 mg/mL的1H-CBH后，其光电转换效率从18.88%提升至20.62%，这主要归功于开路电压从1.03 V提高到1.10 V。此外，多重钝化机制表现出广泛的适用性，在基于FAMA的混合阳离子器件中，PCE从 21.18%飞跃至23.59%，且开路电压从1.15 V增至1.18 V，同时器件的可重现性显著增强。在稳定性方面，1H-CBH钝化的器件表现卓越。未封装的器件在氮气环境下储存600小时后仍能保持初始PCE的80%以上，而对照组器件在150小时内效率即下降了20%。

综上所述，本研究为PSCs的添加剂工程引入了一种变革性方法，表明合理设计的、能够同时形成配位键和氢键的分子可以协同抑制多种降解途径。这种多重钝化策略有效减缓了离子迁移、相分离及结晶度下降，从而同步提升了器件的光伏效率和运行稳定性。通过引入1H-CBH，我们在高性能与长期耐用性之间实现了关键平衡，有力地推进了钙钛矿太阳能技术的商业化进程。

5 作者简介

韦国丹 ，清华大学深圳国际研究生院长聘副教授，博士生导师。主要研究兴趣是光电材料与器件、有机光波导，主要做OLED发光材料与器件，太阳能电池及光电探测器以及在光通信、成像及微显示等领域的应用。

期刊简介

Energy Materials and Devices 是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社 SciOpen 平台出版发行，清华大学 康飞宇 教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力 “ 碳达峰、碳中和 ” 。

期刊于 2023 年 9 月创刊，现已被 ESCI 、 Scopus 、 CAS 、 DOAJ 、 Inspec 等数据库收录，入选 2024 中国科技期刊 “ 卓越行动计划 ” 二期高起点新刊项目。

收稿范围包括但不限于：二次电池、太阳能电池、燃料电池、超级电容器、液流电池、安全评估、 电池回收、 碳足迹和碳税负等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。

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