双功能纤维素基界面材料同时提升钙钛矿电池的效率和稳定性

吴慧教授、高鹏研究员、陈礼辉教授，AS：双功能纤维素基界面材料同时提升钙钛矿电池的效率和稳定性

【文章信息】

双功能纤维素基界面材料同时提升钙钛矿电池的效率和稳定性

第一作者：张子龙，王灿

通讯作者：吴慧*，高鹏*，陈礼辉*

单位：福建农林大学，中国科学院福建物质结构研究所/厦门稀土材料研究中心

【研究背景】

钙钛矿材料在溶液加工与高温结晶的过程中会产生大量缺陷。其中，界面处缺陷容易在外界环境影响下加速钙钛矿结构的解离和降解，造成电池效率下降，寿命降低。界面修饰可以有效地减少界面缺陷，从而降低非辐射复合损耗并抑制钙钛矿降解，是提升电池效率与稳定性重要的策略之一。相比于有机小分子界面修饰材料，高分子聚合物具有长链的分子结构和良好的成膜性，近几年得到了研究者们的广泛关注。然而，大多数聚合物合成步骤繁琐，导致成本过高，阻碍了其实际应用。该文章开发了一种以天然生物质高分子纤维素为基本骨架的低成本、绿色的双功能界面材料，可以同时具有缺陷钝化和促进电荷传输的作用，实现了钙钛矿电池效率和稳定性的提升。该工作对于纤维素材料的高值利用和钙钛矿电池的发展都具有重要的指导意义。

【文章简介】

近日，来自福建农林大学的吴慧教授、陈礼辉教授与中国科学院福建物质结构研究所/厦门稀土材料研究中心的高鹏研究员合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Bifunctional Cellulose Interlayer Enabled Efficient Perovskite Solar Cells with Simultaneously Enhanced Efficiency and Stability”的文章。该文章开发了一种低成本、绿色的纤维素基双功能界面修饰材料，并应用在钙钛矿太阳能电池中，实现了23.02%光电转换效率的同时，长期稳定性也得到了提升。

图1. (a) 纤维素基界面材料C-Cz的结构式；(b) C-C的作用机制示意图；(c) J-V曲线；(d) 稳定性测试

【本文要点】

要点一：纤维素基界面材料

纤维素作为储量最大的天然高分子，具有廉价易得、可再生、可降解等优点，是代替石油基原料的最佳选择之一。更重要的是，纤维素骨架上含有大量的羟基，可对钙钛矿的表面缺陷进行钝化，可有效提高钙钛矿电池的稳定性。作者以纤维素为基本骨架，在侧链引入空穴传输单元咔唑，制备了一种具有缺陷钝化和空穴传输的双功能界面材料C-Cz（图1）。该材料合成步骤简单，原材料绿色，具有很低的制备成本（224元/克）。

要点二：双功能性

现有的纤维素基材料在钙钛矿电池中的应用具有局限性，特别是能够兼顾有效的缺陷钝化作用和高的电荷传输能力的纤维素基界面材料至今还尚未有报道。作者制备的纤维素基材料C-Cz具有良好的热稳定性，并且与钙钛矿之间存在强的相互作用，作为界面材料可为钙钛矿表面提供有效的缺陷钝化作用。同时，引入的咔唑单元使得C-Cz具有强的π-π堆积作用，从而具有较高的空穴迁移率。C-Cz的能级与钙钛矿层很好地匹配，说明有利于空穴的提取和传输。

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要点三：提升器件性能和稳定性

作者以C-Cz作为钙钛矿层与空穴传输层之间的界面材料制备了n-i-p型钙钛矿电池器件，获得了23.02%的光电转换效率。有C-Cz修饰的器件，开路电压和填充因子都显著的提高，验证了C-Cz具有缺陷钝化和促进空穴传输的功能。同时，稳定性测试表明，基于C-Cz的器件具有优越的长期稳定性和热稳定性，在未封装条件下，于空气环境中连续工作2800小时可保持88%以上的效率。该文章从功能化设计和性能调控等方面，发掘纤维素作为界面材料的应用价值，为进一步解决钙钛矿电池长期稳定性这一关键问题提供理论基础和实验依据，对纤维素材料的高值利用和钙钛矿太阳能电池的发展都具有重要的研发价值和现实意义。

【文章链接】

Bifunctional Cellulose Interlayer Enabled Efficient Perovskite Solar Cells with Simultaneously Enhanced Efficiency and Stability

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207202

【通讯作者简介】

吴慧教授简介：2009年中国科学院长春应用化学研究所高分子化学与物理专业毕业，获博士学位；在日本九州大学全球卓越中心计划（G-COE）、日本科学技术振兴机构高原软界面项目、福建农林大学、加拿大阿尔伯塔大学等进行研究及访问工作。2014年获福建省闽江学者特聘教授、福建农林大学金山学者特聘教授称号。2015年被遴选为博/硕士生导师。主要从事生物质化学与新材料的研究。主持国家自然科学基金面上项目三项、“十三五”国家重点研发计划子课题一项、教育部留学回国人员科研启动基金一项等。授权专利20多件。在Progress in Polymer Science、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等刊物上发表科技论文90多篇，其中70多篇论文被SCI收录。担任福建省造纸学会理事和林业工程学报青年编委。

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高鹏研究员简介：2006年在德国马克斯普朗克聚合物研究所攻读博士学位，主攻有机场效应晶体管。2010年，转到瑞士联邦理工学院（EPFL）担任博士后研究员，研究染料敏化/钙钛矿太阳能电池。2015年，在EPFL Sion Energy Polis担任钙钛矿太阳能电池相关半导体材料的组长。2017年，在中国科学院福建物质结构研究所厦门稀土材料研究中心（FJIRSM）创办了先进功能材料实验室（LAFM）。研究成果以第一/通讯作者身份发表在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Chem. Mater.、Chem. Sci.等高档次杂志期刊上，多篇论文被选为期刊封面或热点论文。目前主攻将稀土元素应用于有机光电和能量转换材料，开发新型高效光伏及电（光）致发光材料。

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陈礼辉教授简介：先后到英国布鲁内尔大学、加拿大新布伦瑞克大学进行访学科研工作，是国家万人计划科技创新领军人才、新世纪百千万人才工程国家级人选、“农林剩余物纤维素功能材料”科技部创新团队负责人，长期从事植物资源化学与新材料的研究，对植物纤维原料三大组分的高效分离、纤维素的高效溶解成膜机制、纤维素分子的可控改性以及离子传输等方面有相当深入的研究，先后主持了国家自然科学基金、“十二五”国家科技支撑计划任务、“十三五”国家重点研发计划课题与任务以及国家林业局948项目等，相关研究成果“竹纤维制备关键技术及功能化应用”获2014年度国家科技进步二等奖（第1完成人）；相关研究成果发表在Adv. Energ. Mater.; Adv. Funct. Mater.; Appl. Catal. B: Environ.; J. Mater. Chem. A; Chem. Eng. J.; Renew. Sust. Energ. Rev..; J. Hazard. Mater.; ACS Sustain. Chem. Eng.; Bioresour. Technol.; Cellulose; Carbohydr. Polym.等期刊。