近日，昆明理工大學材料科學與工程學院陳江照和易健宏團隊在國際材料頂級期刊Advanced Materials上以題為“Stabilizing top interface by molecular locking strategy with polydentate chelating biomaterials towards efficient and stable perovskite solar cells in ambient air”發表最新研究成果，該研究工作得到國家自然科學基金面上、兵團重點領域科技攻關計劃等項目的資助。
考慮到化石燃料利用引發的嚴重能源危機和環境污染，開發可持續的可再生能源已成為人類文明未來發展的共同目標。在眾多能源中，太陽能由于其豐富和環保的特性，有望同時克服上述挑戰。金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的快速發展就是一個很好的例子，它被認為是最有前途的下一代光伏技術之一。然而，大多數高效率PSCs的制備都需要氮氣條件，這使器件制備過程復雜化、增加成本并對鈣鈦礦膜的大面積制備提出巨大挑戰。相比之下，空氣環境中制備的PSCs受到了較少的關注，但對其商業應用非常重要。此外，由于顯著的非輻射復合損失，單結PSCs的認證功率轉換效率（PCE）仍低于Shockley-Quiser（SQ）理論計算的理論效率（~32%）。最后，PSCs差的長期穩定性阻礙了其大規模生產，這應該得到足夠的重視。
鈣鈦礦層和空穴傳輸層（HTL）之間的界面在實現高性能正置n-i-p PSC中起著關鍵作用。使用溶液法制備的多晶鈣鈦礦膜易于在本體和表面產生高濃度的缺陷。鈣鈦礦膜表面和界面的缺陷密度大約是鈣鈦礦膜體相的100倍。在金屬鹵化物鈣鈦礦膜中，空位（如VI）缺陷的形成能相對較低，使其易于在體相和表面/界面處形成；然而，反位缺陷（如I-Pb反位缺陷）通常表現為深能級缺陷，由于其高形成能而難以在鈣鈦礦膜的體相中形成。然而，表面/界面上的I-Pb反位缺陷的形成能遠低于體相中的形成能，使得它們更有可能在鈣鈦礦膜的表面和界面處形成。一方面，鈣鈦礦膜表面和界面的深能級缺陷將作為載流子的非輻射復合中心，從而導致嚴重的陷阱輔助的非輻射復合，降低開路電壓（VOC）和填充因子（FF），最終降低器件的PCE；另一方面，鈣鈦礦膜常常從表面和晶界（GBs）開始降解，表面和晶界優先受到環境中水和氧氣的侵蝕；而且，表面和晶界處的缺陷將加速鈣鈦礦膜的分解。值得注意的是，表面和晶界處的缺陷將為離子遷移提供通道，導致PSCs的本征不穩定性。因此，最大限度地減少表面和晶界的缺陷密度對實現高效穩定的PSCs具有重要意義。除缺陷外，不同功能層之間的熱膨脹系數不匹配，以及熱應力引起的晶格畸變導致鈣鈦礦膜的殘余應力，這將降低器件穩定性和PCE?？傊?，在鈣鈦礦/空穴傳輸層界面的缺陷和殘余應力會顯著降低PSCs的穩定性和PCE。因此，迫切需要通過鈍化界面缺陷和釋放界面應力來穩定該界面。
目前，研究人員已經探索了各種各樣的材料來修飾鈣鈦礦膜的表面和晶界。然而，大多數界面材料都是有毒的，對環境不友好，這不利于PSCs的可持續發展。近年來，具有低成本、豐富官能團和有趣機械性能的綠色環保生物材料為界面材料提供了一種新的選擇，以實現高效穩定的剛性和柔性PSCs應用。已報道的生物材料，包括噬菌體、超分子生物材料、鋅葉綠素聚集體、DNA和天然氨基酸等，有效地提高了PSCs的PCE和穩定性。因此，有必要選擇和開發合適的綠色生物材料，通過管理界面缺陷和應變來穩定鈣鈦礦/空穴傳輸層界面。之前的研究表明，多活性位點配體分子可以加強與功能層的作用，有利于增強缺陷鈍化和應力釋放。因此，需要增加界面改性劑中具有強配位能力的官能團的數量。C=O基團已被廣泛證明能夠通過強配位鍵有效鈍化未配位的Pb2+和/或鹵素空位缺陷。此外，氟化策略被廣泛用于通過配位鍵和氫鍵豐富化學作用模式。研究表明，在改性分子中加入F和苯環可以增加鈣鈦礦膜的疏水性。故迫切需要將上述所有分子設計理念整合在同一改性分子中，以穩定上界面，實現高效穩定的PSCs。
鑒于此，陳江照教授和易健宏教授團隊提出了一種分子鎖策略，提高了正式電池中頂界面的穩定性。采用多齒配體生物材料2-脫氧-2,2-二氟-D-呋喃核糖-1-酮-3,5-二苯甲酸酯（DDPUD）修飾鈣鈦礦薄膜的表面和晶界。實驗與理論證據證明，通過強的化學錨定作用DDPUD能夠有效鈍化未配位的金屬離子、鹵素空位和/或I-Pb反位缺陷。DDPUD修飾減少界面缺陷、增加載流子壽命、釋放界面應力和增強鈣鈦礦薄膜防潮性，從而增強鈣鈦礦太陽能電池中吸光層與空穴傳輸層之間的界面穩定性、抑制界面非輻射復合。經過界面修飾電池效率從23.17%提高到24.47%，這是空氣中制備的電池最高報道效率之一，未封裝的電池在10-20%濕度環境老化3000小時后保持初始效率的98.18%，在65°C老化1728小時后保持初始效率的88.10%。
