天然维生素H（生物素）复合物实现宽带隙无铅钙钛矿太阳能电池的功率转换效率突破

这篇研究开创性地利用天然维生素H（生物素）的多功能配位作用，显著提升了宽带隙（WBG）锡（Sn）基钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能。通过生物素的脲基环（C=O）、戊酸链（COO?）和四氢噻吩（S-C）基团与Sn2+的多齿配位，实现了晶体生长动力学调控、Sn2+氧化抑制及缺陷钝化，最终获得12.8%的认证效率（Voc达1.03 V）和1460小时环境稳定性，为无铅钙钛矿光伏技术树立了新标杆。

　　

1 引言

太阳能作为可再生能源的代表，其主流技术面临光学管理挑战。锡（Sn）基钙钛矿（HP）因化学特性与铅（Pb）相似且环境友好，成为替代铅基钙钛矿的潜力候选。然而，Sn²⁺易氧化为Sn⁴⁺、反位缺陷（如Sn_I）及结晶失控等问题导致开路电压（V_oc）损失和稳定性差。本研究创新性地引入天然维生素H（生物素），通过其多重官能团协同作用，实现了Sn钙钛矿从溶液稳定性到薄膜质量的全面提升。

2 结果与讨论

2.1 生物素与SnI₂的化学配位机制

生物素的脲基环（C=O）、戊酸链（COO^?）和四氢噻吩硫原子（S-C）通过核磁共振（¹³C/¹H NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实与Sn²⁺形成路易斯酸碱加合物。静电势（ESP）分析显示C=O区域电子密度最高，主导配位作用，而S-C通过孤对电子与Sn²⁺键合，形成SnI₂·DMSO中间相，抑制了SnI₂的预聚集。

2.2 生物素对钙钛矿结晶的调控作用

X射线衍射（XRD）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）表明，1.0 mol%生物素添加使薄膜（100）晶面取向增强，准二维（n=1/2）相减少，三维相占比提升。场发射扫描电镜（FESEM）显示生物素处理的薄膜呈现无针孔、致密化的形貌，归因于生物素通过氢键（COO?I^?）和Sn-O配位键调控晶体生长速率。

2.3 缺陷钝化与理论验证

密度泛函理论（DFT）计算表明，生物素将Sn_I反位缺陷形成能提高至4.35 eV，显著抑制深能级缺陷。稳态荧光（SS-PL）显示生物素处理样品发光强度提升3倍，载流子寿命从30.1 ns延长至90 ns，证实非辐射复合减少。X射线光电子能谱（XPS）进一步显示Sn⁴⁺/Sn²⁺比例从48.87%降至10.87%。

2.4 器件性能突破

倒置p-i-n结构器件（ITO/PEDOT:PSS/Sn HP/PCBM/BCP/Ag）实现12.84%的功率转换效率（PCE），认证效率达12.5%，V_oc创1.03 V纪录。莫特-肖特基（M-S）分析显示内建电势（V_bi）从0.48 V提升至0.78 V，电化学阻抗（EIS）表明复合电阻（R_rec）增加3.3倍，印证了缺陷抑制效果。

2.5 稳定性机制

生物素使氧分子形成能从-1.41 eV升至4.35 eV，未封装器件在环境空气中1460小时后保留77%初始效率。连续1太阳光照下，封装器件31小时后仍保持75%效率，归因于生物素对Sn²⁺的抗氧化保护和卤化物相分离抑制。

3 结论

生物素通过多齿配位、结晶调控和缺陷钝化的三重作用，为无铅钙钛矿光伏提供了兼具高性能与稳定性的解决方案，其分子设计策略可拓展至其他低价金属钙钛矿体系。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论归纳，未添加非文献支持内容）