Joule：氢键大大提升钙钛矿电池的稳定性

通讯单位：CSIC和巴塞罗那科学技术研究所，洛桑联邦理工大学

在传统的无机半导体中，浅缺陷被认为是良性的。但对如卤化物钙钛矿这种离子电子半导体而言，低形成能的浅陷阱（如，I或MA空位）对太阳能电池不利，会导致离子迁移、相分离、磁滞现象和较差的运行稳定性。因此，为了提升钙钛矿太阳能电池的稳定性需要钝化这些浅缺陷。

为此，巴塞罗那科学技术研究所Monica Lira-Cantu、洛桑联邦理工大学Anders Hagfeldt等人将有机分子3-膦酰丙酸（H3pp）添加到卤化物钙钛矿（HP）中，钙钛矿与H3pp分子之间通过两种类型的氢键（H … I和O …H）钝化了浅点缺陷，但对深缺陷钝化和非辐射重组的影响最小。这导致整体光电性能不受影响，但显著提升了钙钛矿太阳能电池的稳定性

光伏性能

图1 光伏性能

器件稳定性和离子固定

图2 器件稳定性和离子固定

H3pp对钙钛矿薄膜的影响：微观结构和结合模式

图3 H3pp对钙钛矿薄膜的影响：微观结构和结合模式

图4A为DFT模拟H3pp与HP相互作用的最佳构型，–PO(OH)2指向FAI封端的钙钛矿表面并形成两个不同类型的三个氢键。第一种类型的氢键为，-P-OH的H与I-形成H-I；在第二类型中，-P=O的O与FA+的NH2的H形成两个O-H键。根据电荷密度差异分析（图4B）两种类型的氢键均由于电子从H到O和I的大量消耗而存在。由于所涉及的H原子来自H3pp和HP，因此在两侧均发生了明显的电荷重新分布，从而确认了强的界面相互作用。根据DFT计算，–P=O键的拉伸模式的波数从1,246变为1,171 cm-1（图4 C），这是键减弱的迹象。但–C=O拉伸模式的波数几乎保持不变，表明H3pp与HP之间没有强烈的相互作用。如图4 D所示，于FAPbI3相比，与H3pp配位的钙钛矿表面的I?和FA+空位形成能增加了2.03和1.20 eV。因此，H3pp的存在抑制表面I?和FA+空位的形成。这一结果说明了离子固定化的机理，并支持了H3pp修饰的PSCs具有良好的运行稳定性。

图4 H3pp与FAPbI3相互作用模式的理论分析

Xie et al., Decoupling the effects of defects on efficiency and stability through phosphonates in stable halide perovskite solar cells, Joule (2021), DOI:10.1016/j.joule.2021.04.003

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121001550?via%3Dihub