受阻胺光稳定剂抑制钙钛矿太阳能电池光诱导分解的化学机制及高效稳定器件研究

推荐：针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)在光照下因超氧自由基(O2•?)导致的不稳定问题，研究人员提出受阻胺稳定策略(HASS)，通过UV-3346光稳定剂同步实现晶界缺陷钝化和自由基清除。该研究使倒置PSCs在环境条件下获得26.74%的认证效率(26.56%)，未封装器件在最大功率点跟踪(MPPT)下1000小时后仍保持95.4%初始效率，为商业化应用提供新思路。

　　

钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其高达27%的功率转换效率(PCE)和低成本制备工艺成为光伏领域的研究热点，但其在光照条件下的操作稳定性问题始终是制约商业化的关键瓶颈。当紫外线照射时，钙钛矿晶格中的氧分子会捕获光生电子形成具有强氧化性的超氧自由基(O₂•^?)，这些自由基不仅会去质子化有机阳离子(如FA⁺、MA⁺)，还会破坏Pb-I键，最终导致碘化铅(PbI₂)、碘单质(I₂)等分解产物的生成。更棘手的是，这种光诱导降解在潮湿环境中会被进一步加速，因为水分子能降低超氧化物反应的活化能。虽然通过组分调控(如Rb⁺/Cs⁺掺杂)和表面修饰(如金属氧化物包覆)可在一定程度上提升稳定性，但如何同步解决内部缺陷和外部光降解仍是重大挑战。

为突破这一困境，国内某研究机构的研究团队创新性地将高分子材料领域的受阻胺光稳定剂(UV-3346)引入PSCs研究，提出了受阻胺稳定策略(HASS)。这种含有四甲基哌啶基、三嗪和吗啉官能团的聚合物具有双重功能：其哌啶环在光照下可转化为氮氧自由基(N–O•)，能高效清除降解产物中的O₂•^?；同时分子中的富电子N、O原子可与钙钛矿表面未配位的Pb²⁺缺陷配位，显著降低界面非辐射复合。相关研究成果发表在《eScience》期刊，为开发高效稳定PSCs提供了新思路。

研究团队采用真空闪蒸法制备钙钛矿薄膜，通过核磁共振(¹H NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)证实了受阻胺与PbI₂的配位作用。稳态/瞬态荧光光谱(SSPL/TRPL)和空间电荷限制电流(SCLC)测试显示，HASS调制使薄膜缺陷密度从1.35×10¹⁶ cm^?3降至1.04×10¹⁶ cm^?3，载流子寿命从0.53 μs延长至1.76 μs。开尔文探针力显微镜(KPFM)和紫外光电子能谱(UPS)进一步揭示，受阻胺修饰使钙钛矿表面接触电势差(CPD)提高235.39 mV，功函数从-4.47 eV增至-4.44 eV，优化了能级排列。

在器件性能方面，基于NiO_x/4PABCz空穴传输层的倒置PSCs获得26.74%的冠军效率(认证26.56%)，这是目前环境条件下真空法制备器件的最高记录之一。外量子效率(EQE)积分电流从25.06 mA/cm²提升至25.57 mA/cm²，瞬态光电压(TPV)显示载流子复合寿命从0.85 ms延长至1.05 ms。更重要的是，HASS调制使器件展现出卓越的稳定性：在60 mW/cm²紫外光下老化50小时后，对照组效率仅剩46.7%，而实验组保持75.4%；在100 mW/cm²白光MPPT测试中，未封装器件1000小时后仍保持95.4%的初始效率，远超对照组的74.5%(250小时)。激光束诱导电流(LBIC) mapping证实，受阻胺能显著改善器件的光电流输出均匀性。

该研究通过分子设计将受阻胺的"自由基捕获-再生循环"机制引入PSCs领域，创新性地解决了光稳定性与缺陷钝化的协同优化难题。UV-3346中的三嗪环与Pb²⁺的配位作用填补了碘空位(V_I)，而吗啉基团则通过氢键稳定有机组分，这种"内外兼治"的策略使器件在效率与稳定性两个维度同时突破。研究不仅为钙钛矿光伏器件的商业化提供了切实可行的解决方案，也为其他光电器件的稳定性研究开辟了新思路——借鉴高分子材料的抗老化机制或将成为功能材料设计的重要方向。未来通过优化受阻胺分子结构(如引入更多配位位点)或与其他稳定策略(如离子液体封装)联用，有望进一步推动PSCs的实际应用进程。