合肥研究院等开发出可“自愈”的钙钛矿太阳电池

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。

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。