近日，化工学院段加龙副教授（学术教授）、唐群委教授等人在全无机钙钛矿太阳能电池领域取得最新进展，相关成果以“Stretchable alkenamides terminated Ti3C2Tx MXenes to release strain for lattice-stable mixed-halide perovskite solar cells with suppressed halide segregation”为题发表在权威期刊Carbon Energy上（中科院Top一区，影响因子：20.5）。
研究背景
近年来，钙钛矿太阳能电池由于具有优异的光电转换效率、成本低、制备简单等优势，迅速成为未来最具应用潜力的光伏技术之一。如何提升钙钛矿薄膜的质量是获得高效稳定电池器件的关键。然而，由于晶格失配、热效应以及外部环境刺激下引起的晶格应力极易诱导产生大量的空位点缺陷以及位错，其中，拉应力的存在会造成晶格膨胀，降低离子迁移势垒，加速电池内部的电荷复合以及钙钛矿薄膜的降解过程。在钙钛矿薄膜生长过程中，钙钛矿与基底之间的热膨胀系数差异大，往往是诱导大量界面应力的主要原因之一。与常规有机-无机杂化钙钛矿薄膜相比，全无机钙钛矿薄膜具有两个明显的特性：第一，热膨胀系数高；第二，相转变温度高。因此，全无机钙钛矿薄膜中残余应力在理论上将远高于有机-无机杂化钙钛矿薄膜，不利于电池效率和稳定性的提升。
成果介绍
通过制备酰胺链端基化Ti3C2Tx MXenes材料，并将其作为添加剂应用到全无机钙钛矿太阳能电池当中，实现了光电转换效率和稳定性的提升。由于琥珀酰胺具有四个碳链的分子结构，与刚性的MXenes材料相比，具有很好的伸缩性。在薄膜生长过程中，酰胺链端基化的MXenes可以与钙钛矿的晶格发生相互作用，改善钙钛矿薄膜的生长动力学过程，钝化未配位的铅缺陷，提升薄膜质量。同时，MXenes主要分布在钙钛矿薄膜的晶界处，表面的烷基链可以作为界面润滑剂释放晶粒之间的压应力和界面处的拉应力，大幅减小缺陷态密度。通过系统地测试发现，应力释放以及缺陷态的消除能够有效抑制全无机混合卤素钙钛矿的相分离，提升薄膜的晶格稳定性。最终，全无机CsPbIBr2和CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池分别获得11.06%和14.30%的光电转换效率。
此前，课题组针对全无机钙钛矿薄膜应力问题，通过利用低沸点的有机小分子对钙钛矿薄膜埋底界面进行修饰，结合有机小分子的固液相变机制，消除钙钛矿与基底之间的热膨胀系数差异大的技术壁垒，提升了电池光伏性能和长期稳定性，相关成果以“Liquid buried interface to slide lattice and heal defects in inorganic perovskite solar cells”为题发表在Journal of Colloid And Interface Science (2023, 646, 695-702)杂志上（中科院Top一区）。
以上研究成果得到国家重点研发计划、山东省泰山学者专项资金、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目等项目的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.387
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979723009359
