利用两亲性虾青素进行协同界面改性，以实现高效且稳定的钙钛矿太阳能电池

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Synergistic interfacial modification with amphiphilic astaxanthin for efficient and stable perovskite solar cells

采用天然抗氧化剂角鲨烯（ASTA）作为界面修饰剂，通过C=O与Pb2?、Sn??形成配位键，钝化缺陷并构建分子桥促进电子传输，显著提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）效率至24.23%并增强稳定性，为环保型高效PSC开发提供新策略。

　　在当今的能源领域，太阳能电池因其高效、可持续和低成本的特性而备受关注。其中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其独特的光电性能，成为了研究的热点。钙钛矿材料具有优异的光吸收能力、长载流子扩散长度以及高结晶度，这些特性使其在太阳能转换效率方面表现出色。然而，尽管钙钛矿太阳能电池取得了显著进展，其在实际应用中的稳定性问题仍然限制了其发展。特别是钙钛矿层与电子传输层（ETL）之间的界面，往往成为性能下降的关键因素。

为了解决这一问题，研究人员开始探索利用天然有机化合物作为界面修饰材料的可能性。这些天然化合物不仅来源广泛，而且具有良好的生物相容性，能够有效减少材料的毒性和环境负担。其中，虾青素（ASTA）作为一种高效的天然抗氧化剂，因其独特的分子结构和功能特性，成为了研究的焦点。ASTA不仅具有优异的抗氧化能力，还能够通过多种非共价相互作用调节钙钛矿与电子传输层之间的界面，从而提升太阳能电池的整体性能。

研究发现，ASTA分子中的两个羰基（C=O）基团能够作为路易斯碱，分别与钙钛矿层中的不配位Pb2?和电子传输层中的Sn??形成配位键。这种配位作用不仅有助于钝化界面缺陷，还能够形成一种“分子桥”，促进电子在钙钛矿层与电子传输层之间的传输。此外，ASTA的长共轭分子结构也有助于电子的离域化，从而提升电子传输效率。通过这种界面修饰，研究人员发现ASTA能够显著提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，使其在实际应用中更具竞争力。

在实验过程中，研究团队对ASTA在钙钛矿太阳能电池中的应用进行了深入研究。他们首先通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了ASTA与钙钛矿材料之间的相互作用。结果显示，ASTA分子中的C=O基团在与钙钛矿材料混合后，其对称伸缩振动峰（V_s）从1650 cm?1移动到了1631 cm?1，而原本位于1550 cm?1的C=C伸缩振动峰则移动到了1553 cm?1。这一变化表明，ASTA与钙钛矿材料之间存在较强的相互作用，这种相互作用不仅有助于界面的调控，还能够有效减少非辐射复合，从而提升太阳能电池的性能。

除了FTIR分析，研究团队还通过X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）等手段对ASTA在钙钛矿太阳能电池中的作用进行了进一步验证。XPS结果显示，ASTA能够有效减少钙钛矿层表面的缺陷密度，而SEM图像则表明，ASTA的引入能够改善钙钛矿薄膜的形貌，使其更加均匀和致密。这些改进不仅有助于提升电子传输效率，还能够增强钙钛矿层与电子传输层之间的界面稳定性。

在性能测试方面，研究团队对ASTA修饰的钙钛矿太阳能电池进行了详细的评估。结果显示，经过优化后的ASTA修饰电池实现了高达24.23%的功率转换效率（PCE），显著高于未修饰电池的22.61%。此外，ASTA修饰的电池在1600小时的环境测试中（25°C，35%相对湿度）仍能保持93%的初始效率，显示出良好的长期稳定性。这一结果表明，ASTA不仅能够有效提升钙钛矿太阳能电池的性能，还能够显著增强其在实际应用中的可靠性。

在实际应用中，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题一直是研究的重点。ASTA的引入为解决这一问题提供了一种新的思路。通过其独特的分子结构和功能特性，ASTA能够在钙钛矿层与电子传输层之间形成稳定的界面，从而减少界面缺陷和非辐射复合。这种界面修饰策略不仅能够提升太阳能电池的效率，还能够增强其在不同环境条件下的稳定性。

此外，ASTA的抗氧化特性在钙钛矿太阳能电池中也发挥了重要作用。研究表明，ASTA能够有效清除自由基并淬灭单线态氧，从而减少钙钛矿材料的氧化降解。这种抗氧化作用不仅有助于延长钙钛矿太阳能电池的使用寿命，还能够提升其在高温、高湿等恶劣环境下的稳定性。因此，ASTA作为一种天然的抗氧化剂，为钙钛矿太阳能电池的稳定性提升提供了一种环保且高效的解决方案。

在材料设计方面，ASTA的引入为钙钛矿太阳能电池的界面工程提供了新的方向。通过其独特的分子结构和功能特性，ASTA不仅能够形成稳定的分子桥，还能够改善钙钛矿薄膜的结晶性。这种改善不仅有助于提升电子传输效率，还能够增强钙钛矿层与电子传输层之间的界面稳定性。因此，ASTA的引入为钙钛矿太阳能电池的性能提升提供了一种多效的策略。

在实际应用中，ASTA的引入不仅能够提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，还能够减少对环境的影响。相比于传统的化学添加剂，ASTA作为一种天然有机化合物，具有良好的生物相容性和环境友好性。这种特性使其在工业应用中更具优势，能够满足对环保和可持续发展的要求。

综上所述，ASTA作为一种天然的抗氧化剂，在钙钛矿太阳能电池的界面工程中展现出巨大的潜力。其独特的分子结构和功能特性不仅能够有效减少界面缺陷和非辐射复合，还能够提升电子传输效率和钙钛矿薄膜的结晶性。通过这种界面修饰策略，研究人员成功实现了钙钛矿太阳能电池的高效和稳定，为其在实际应用中的推广提供了有力支持。未来，随着对ASTA在钙钛矿太阳能电池中作用的进一步研究，有望开发出更加高效、稳定和环保的太阳能电池，为可再生能源的发展做出更大贡献。