科学探索|合肥研究院等开发出可“自愈”的钙钛矿太阳电池合肥研究院等开发出可“自愈

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所能源材料与器件制造研究部研究员胡林华课题组与国外科研人员合作，实现了钙钛矿太阳电池自修复，相关成果发表在Journal of Energy Chemistry 上。
近年来，钙钛矿材料因其优异的光电性能，成为光电器件领域中具有应用前景的光电材料之一。目前钙钛矿太阳电池光电转换效率已达25.5%，但是钙钛矿材料对辐射、湿度等敏感，暴露在大气条件下容易降解，严重影响其使用。因此，开发高性能、高稳定和具有自修复功能的钙钛矿太阳电池器件尤为重要，具有挑战性。
钙钛矿太阳电池在空气环境中工作时，水分是导致其分解的关键因素之一。鉴于此，研究人员将聚乙烯吡咯烷酮引入钙钛矿吸光材料，使得制作的太阳电池具有较强的自修复功能，湿度稳定性得到明显提升。聚乙烯吡咯烷酮是一种长链绝缘聚合物，具有高密度的极性羰基，将其引入太阳电池中，可以包裹MAPbI3，形成疏水“屏障”，阻止水分子的入侵。它还能与甲胺离子(MA⁺)的-NH2基团形成氢键相互作用（图1），抑制甲胺的分解和挥发，从而提高电池“自愈”能力。此外，聚乙烯吡咯烷酮能够与碘甲胺形成中间络合物，抑制钙钛矿晶体的成核速度。聚乙烯吡咯烷酮的引入，实现了电池多次自修复（图2），显著提升了电池的工作寿命，并使得钙钛矿薄膜缺陷减少，晶粒增大，提高了电池的光电转化效率。
研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院“西部之光”人才培养计划项目以及“欧洲地平线2020”计划项目的支持。
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图1. （a）和（b）钙钛矿材料在水分子存在下的降解途径；MAI和含有聚乙烯吡咯烷酮的MAI在DMSO-d6溶液中的¹H NMR谱图（c）和¹³C NMR谱图（d）；（e）聚乙烯吡咯烷酮与MAI摩尔比为1:1混合制备的MAI、聚乙烯吡咯烷酮的FTIR光谱，箭头为C=O和CH3的伸缩振动峰；（f）不同浓度聚乙烯吡咯烷酮溶液下钙钛矿膜的XRD谱图；（g）含有和没有聚乙烯吡咯烷酮的O 1s在200小时后的XPS图。

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【科学探索|合肥研究院等开发出可“自愈”的钙钛矿太阳电池】图2. 含有（a）和不含（b）聚乙烯吡咯烷酮的薄膜，显示了水蒸气喷涂60秒后，自修复30秒后的状态变化；（c）钙钛矿薄膜自修复过程示意图；（d）含有6 mg mL^-1聚乙烯吡咯烷酮的钙钛矿太阳能电池在65±5%相对湿度下的湿度稳定性。