【摘要】 南昌大学团队在《Angewandte Chemie》发表研究，开发DES辅助溶解策略显著提升钙钛矿太阳能电池热机械稳定性。科学指南针提供理论计算支持，助力机理研究与材料设计。

南昌大学陈义旺教授、谈利承教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》发表创新研究成果，开发新型深共晶溶剂（DES）辅助溶解策略，显著提升钙钛矿太阳能电池的热稳定性和机械稳定性。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力材料设计与机理解析。

 

研究背景与钙钛矿电池稳定性挑战

钙钛矿太阳能电池（PVSCs）凭借其优异的光电转换效率成为光伏领域的研究热点，然而空穴传输材料spiro-OMeTAD的稳定性问题严重制约其商业化应用。

​核心技术瓶颈：​​

  • 传统LiTFSI和tBP掺杂剂引起离子迁移和去掺杂反应

  • 钙钛矿/spiro-OMeTAD/电极界面断裂能低，机械稳定性差

  • 高温下热稳定性不足，长期运行性能衰减严重

  • 现有策略无法同时解决热稳定性和机械稳定性问题

 

创新方法：深共晶溶剂辅助溶解策略

研究团队创新性地利用N-(氰甲基)乙酰胺（NCMA）与LiTFSI合成深共晶溶剂（DES），开发出无需乙腈和tBP的新型掺杂体系。

​技术突破要点：​​

  • DES有效抑制高温下Li⁺迁移，解决离子迁移问题

  • 提高LiTFSI在氯苯中的溶解度，避免tBP使用

  • 功能基团分子网络增强界面结合能和粘附力

  • 实现热稳定性和机械稳定性的同步提升

 

材料设计与合成表征

通过精确调控DES合成条件，成功构建具有多重相互作用的深共晶溶剂体系，并通过系统表征验证其结构特征。

​结构特征验证：​​

  • FTIR和XPS证实LiTFSI与NCMA间的氢键和偶极-偶极相互作用

  • DES作为唯一掺杂剂成功引入spiro-OMeTAD体系

  • 分子网络结构提供丰富的功能基团和结合位点

  • 溶解性显著改善，避免传统有毒溶剂使用

 

理论计算与机理揭示

密度泛函理论计算深入揭示DES掺杂机理和氧化促进机制，为性能提升提供理论依据。

​计算研究发现：​​

  • Li⁺(NCMA)与O₂⁻结合能高于spiro-OMeTAD⁺O₂⁻

  • DES促进spiro-OMeTAD⁺O₂⁻与Li⁺(NCMA)TFSI⁻阴离子交换

  • 加速TFSI⁻解离，形成更多spiro-OMeTAD⁺TFSI⁻配合物

  • 电子顺磁共振证实DES抑制去掺杂反应

  • 电导率监测验证长期稳定性提升

 

热稳定性与离子迁移抑制

通过热分析和分子模拟系统研究DES对材料热稳定性和离子迁移行为的调控作用。

​稳定性提升机制：​​

  • DSC显示玻璃化转变温度提高，抑制高温结晶

  • 分子动力学模拟显示内聚能密度增加，耐热性增强

  • 85°C下离子扩散系数降低，迁移受限

  • 分子网络强相互作用限制离子迁移路径

  • 热循环测试展现优异温度稳定性

 

光电性能与界面优化

系统评估DES改性对器件光电性能和界面特性的提升效果，证实其综合性能优势。

​性能优化表现：​​

  • UPS显示能级匹配优化，空穴传输效率提升

  • 荧光和瞬态吸收光谱证实界面载流子转移增强

  • AFM显示薄膜形貌改善，表面均匀性提高

  • 非辐射复合概率降低，高温性能稳定

  • 光电转换效率达25.02%，性能优异

 

环境稳定性与长期性能

按照ISOS协议标准，全面评估器件在不同环境条件下的长期稳定性和可靠性。

​稳定性测试结果：​​

  • ISOS-D-2条件（85°C，40%RH）下1200小时保持90%初始效率

  • ISOS-T-2热循环测试300次后保持86%初始性能

  • TOF-SIMS证实Li⁺迁移显著抑制，分布稳定

  • 未封装器件展现卓越环境稳定性

  • 性能稳定性处于n-i-p型PVSCs领先水平

 

机械稳定性与疲劳性能

通过系统机械测试评估DES改性对器件机械可靠性和疲劳寿命的提升效果。

​机械性能突破：​​

  • 温度依赖性FTIR证实分子网络增强界面稳定性

  • 弯折测试显示电导率保持率显著提升

  • 杨氏模量测试证实机械强度增强

  • 双悬臂梁测量显示界面断裂能提高

  • 8000次弯曲循环后保持83%初始效率

 

总结与展望

本研究开发的DES辅助溶解策略为钙钛矿太阳能电池稳定性提升提供创新解决方案，推动其商业化进程。

​创新价值总结：​​

  • 首创深共晶溶剂掺杂体系，避免传统有毒添加剂使用

  • 多重相互作用协同提升热稳定性和机械稳定性

  • 分子网络结构增强界面结合能和载流子传输

  • 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

​应用前景：​​

  • 为高性能钙钛矿太阳能电池提供新材料体系

  • 推动柔性光伏器件发展和商业化应用

  • 为其他光电功能材料稳定性提升提供借鉴

  • 促进清洁能源技术实用化发展

论文信息：Angewandte Chemie International Edition, 2024
DOI：10.1002/anie.202424191

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