多功能基团协同异构体调控钙钛矿薄膜质量实现高效太阳能电池

针对钙钛矿太阳能电池（PSCs）中薄膜结晶无序和缺陷态密度高的问题，研究人员通过对比异构体添加剂O-IA和P-IA的分子构型差异，揭示了邻位–C=O和–NH2基团的多齿螯合作用可显著增强与钙钛矿前驱体的结合力，优化结晶取向并释放晶格应变，最终实现未封装碳基PSCs的17.50%效率（VOC=1.093 V）及湿热稳定性提升，为多功能添加剂设计提供理论指导。

　　

在追求清洁能源的浪潮中，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率（PCE）和低成本成为研究热点。然而，高性能PSCs通常依赖惰性环境制备和昂贵的空穴传输材料（HTMs），且反溶剂法快速结晶易导致薄膜晶格缺陷和取向紊乱。更棘手的是，钙钛矿软晶格特性易产生未配位Pb²⁺和碘空位（V_I）等深能级缺陷，成为载流子复合中心。如何通过添加剂工程同步调控结晶动力学和缺陷钝化，成为突破商业化瓶颈的关键。

山东理工大学的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，创新性地选取具有p-π共轭效应的异构体添加剂——邻位取代的2-氨基-5-碘苯甲酸（O-IA）和对位取代的4-氨基-3-碘苯甲酸（P-IA），系统探究了分子构型对钙钛矿薄膜质量的调控机制。通过理论计算结合实验验证，发现O-IA中邻位–C=O和–NH₂基团能与单个Pb²⁺形成多齿螯合，其结合能比P-IA中对位基团与相邻Pb²⁺的吸附模式更强，从而更有效调控钙钛矿（110）晶面择优生长。此外，O-IA分子间相互作用及其与钙钛矿的键合可释放薄膜残余应变，抑制碘空位形成。最终，O-IA处理的碳基PSCs在空气中无需封装即实现17.50%的冠军效率，湿热条件下老化480小时后仍保持84.4%以上初始性能。

关键技术方法
研究采用密度泛函理论（DFT）计算分子静电势和结合能，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析薄膜结晶取向与形貌，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）验证添加剂与钙钛矿的相互作用，利用热导纳谱（TAS）和光致发光（PL）表征缺陷态密度，最终通过电流密度-电压（J-V）曲线和最大功率点跟踪（MPPT）评估器件性能。

研究结果

1. 分子构型差异的协同效应
   DFT计算显示O-IA的邻位基团与Pb²⁺形成五元环螯合结构，结合能（-1.98 eV）显著高于P-IA的线性配位模式（-1.32 eV）。FTIR证实O-IA的C=O键红移更明显，表明更强的路易斯酸碱相互作用。

2. 结晶调控与应变释放
   XRD显示O-IA处理薄膜的（110）晶面衍射峰强度提高2.3倍，晶粒尺寸增大至850 nm。拉曼光谱证实其残余应变降低61%，归因于O-IA的空间位阻效应抑制晶格膨胀。

3. 缺陷钝化与能级优化
   TAS测试表明O-IA样品缺陷态密度降至1.2×10¹⁵ cm^-3，PL寿命延长至312 ns。紫外光电子能谱（UPS）显示其价带顶上移0.21 eV，优化了与碳电极的能级匹配。

4. 器件性能突破
   O-IA器件Voc提升至1.093 V，效率较对照组提升54.9%。85%湿度环境下，其未封装器件T₈₀寿命（效率衰减至80%的时间）超过对照组3倍。

结论与意义
该研究首次阐明分子构型诱导的多功能基团协同效应对钙钛矿薄膜质量的调控规律：邻位取代构型通过多齿螯合增强界面相互作用，实现结晶取向调控-缺陷钝化-应变释放的三重协同优化。这一发现为设计高效钙钛矿添加剂提供了明确的分子工程策略，推动空气环境制备的高稳定性PSCs发展。团队进一步指出，未来可拓展至其他含杂原子的π共轭体系，探索更普适的构效关系。