经过十几年发展，钙钛矿太阳能电池已成为一种极具商业潜力的新一代太阳能电池技术。然而，通过溶液处理工艺得到的钙钛矿多晶薄膜经过快速结晶和高温退火的过程，在体相、晶界和表面上会形成多种缺陷，这成为影响钙钛矿太阳能电池效率的重要因素。欠配位的铅离子(Pb²⁺)由于形成能较低，是形成各种缺陷的主要原因之一。这些欠配位的Pb²⁺还可以诱导光生载流子的重组，并为离子迁移提供途径，导致了太阳能电池性能的进一步衰退。添加剂工程是钝化钙钛矿表界面的有效途径，有助于提高太阳能电池的效率和稳定性。

  近日，中科院青岛能源所逄淑平研究员和王啸副研究员采用与Pb²⁺具有强配位作用的聚丙烯腈（PAN）聚合物作为钝化剂添加到钙钛矿前驱体溶液中，获得了高效稳定的太阳能电池器件。电池器件的开路电压从1.12 V提升到1.23 V，光电转换效率达到了23.71%。作者通过配位交换实验、模拟计算、XPS表征和稳态荧光测试，表明了PAN中的氰基基团比聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中的羰基基团具有更强的与Pb²⁺的配位能力。XPS结果同时还显示氰基基团能够有效的调节钙钛矿薄膜表面的碘/铅比例，改善薄膜表面的富碘状态。PAN添加剂可以改善钙钛矿薄膜的形核过程，从而减小晶界的面积。PAN还能够抑制载流子的非辐射复合并提高离子迁移势垒，限制离子迁移，有利于降低器件的迟滞效应。

图1. PAN，PMMA和钙钛矿之间的相互作用

图2. 钙钛矿薄膜表征

  添加有PAN的钙钛矿太阳能电池器件的开路电压从1.12 V提升到1.23 V，光电转换效率从21.58%提升到23.71%，迟滞比从19.23%下降到2.15%，并表现出更好的光照稳定性。文章还系统对比和分析了PAN、聚丙烯酸（PAA）、PMMA、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）等与钙钛矿中欠配位Pb²⁺间的相互作用。与传统的含O元素的聚合物相比，氰基基团与欠配位Pb²⁺具有更强的配位能力，可以更有效的钝化薄膜中正电性缺陷，其表现是显著降低了钙钛矿薄膜表面的碘/铅比例。进一步深入研究表明这种薄膜表面的富碘状态与钙钛矿电池器件的开路电压有着明显的相关性。

图3. 器件的光伏性能

图4. 使用不同聚合物修饰后钙钛矿薄膜和器件

  最终，钙钛矿薄膜添加PAN钝化剂后，展现出更低的缺陷浓度。在器件上表现出更弱的滞后效应、更高的器件电压和明显提升的光电转换效率。同时，PAN与Pb²⁺的强配位作用有利于构建更为稳定的表界面结构，减少离子迁移通道，提高钙钛矿薄膜中离子迁移的势垒，这提升了器件的光照稳定性。该工作表明，钝化剂与Pb²⁺之间的强配位作用对于降低钙钛矿太阳能电池的电压损失尤为重要。

  相关成果以“Polyacrylonitrile-coordinated perovskite solar cell with opencircuit voltage exceeding 1.23 V”为题在线发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）杂志上。中科院青岛能源所研究助理陈晨为论文第一作者，逄淑平研究员和王啸副研究员为论文通讯作者。该项研究得到了山东省自然科学基金、中国科学院青年创新促进会，国家优秀青年科学基金，山东能源研究院的资助。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202113932