近日，清华大学碳中和研究院新型电力系统研究中心易陈谊研究员与清华大学化学系华瑞茂教授团队合作成功开发出一种多功能添加剂BNCl，显著提升了大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。相关研究结果以“High-Efficiency Large-Area Perovskite Solar Cells via a Multifunctional Crystallization Regulating Passivation Additive”为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。论文共同第一作者为周俊杰、吕加营、谭理国，通讯作者为易陈谊。

研究人员通过在钙钛矿前驱液中引入氯取代的芳香族多环衍生物BNCl作为添加剂，实现了对钙钛矿薄膜结晶取向和缺陷钝化的精准调控。BNCl分子与钙钛矿前驱液中的关键成分之间存在强相互作用，促进了钙钛矿薄膜的均匀形核和晶粒长大，从而提高了薄膜的结晶质量。除了薄膜结晶质量的提升，BNCl添加剂还表现出优异的缺陷钝化能力。它能够有效抑制钙钛矿薄膜表/界面处的缺陷态，降低自由载流子的非辐射复合几率，并抑制器件内部离子的移动，从而显著提高器件的效率和稳定性。基于该多功能添加剂，研究团队在1 cm²的钙钛矿电池和12 cm²的钙钛矿模组上分别实现了25.04%和22.81%的认证效率。稳定性测试表明，在连续光照、湿度存储和加热条件下，含有BNCl的钙钛矿器件均展现出良好的稳定性。

图1. 分子间相互作用: a) BNCl分子的化学结构。b) 钙钛矿太阳能电池中BNCl分子添加剂示意图。c) 含或不含DMSO的BNCl分子在CDCl₃溶剂中的¹H-NMR。d) 含或不含PbI₂的BNCl分子在（CD₃）₂SO溶剂中的¹H-NMR。

添加剂分子对钙钛矿结晶过程的调控作用：钙钛矿薄膜的微观形貌和结晶取向是决定器件性能至关重要的因素。研究发现，BNCl分子与钙钛矿前驱液中的二甲基亚砜(DMSO)和碘化铅(PbI₂)之间存在着较强的相互作用力，使得沉积的PbI2薄膜含有更多的DMSO残留，DMSO的存在可以通过分子交换促进甲脒氢碘酸盐(FAI)向薄膜内部的扩散，促进钙钛矿的转化，生成的钙钛矿薄膜形貌更加均匀，晶粒尺寸变大。同时通过理论计算发现，BNCl与钙钛矿(111)晶面之间的结合能最强，可以诱导钙钛矿薄膜退火过程中(111)晶面的择优生长，有利于提高薄膜的稳定性。

图2. PbI₂和钙钛矿薄膜的晶体取向：a) 对照和b) 含BNCl的PbI₂膜的GIWAXS图。c) 退火后PbI₂膜沿q_xy = 0方向的二维GIWAXS积分。d) 对照组和e) 含BNCl的钙钛矿层的GI-XRD图谱。f) 沿q_xy = 0方向的二维GIWAXS积分。

添加剂分子对钙钛矿薄膜缺陷的钝化作用：钙钛矿薄膜表/界面处的缺陷态是导致器件性能下降的原因之一。研究发现，引入的BNCl分子在钙钛矿薄膜的制备过程中被挤出钙钛矿晶格，位于表界面处。结合实验表征和理论计算，BNCl分子的芳香稠环和氯原子可以同时对不同类型的缺陷进行钝化，同时还可以有效的抑制单质铅深能级缺陷的产生。缺陷钝化不仅可降低自由载流子发生非辐射复合的几率，同时还可以抑制器件内部离子的移动，提高器件的稳定性。

图3. 钙钛矿薄膜的表征与模拟：a) I⁻和b) Pb²⁺元素的XPS谱。c) 理论计算的差分电荷密度图像及其在z轴上绘制的积分曲线（纵向）。d) 开路条件下钙钛矿太阳能电池的TPV衰减曲线。e) 钙钛矿层的稳态光致发光(PL)测量和f) 固定电压下钙钛矿太阳能电池的电致发光光谱。

添加剂分子对大面积钙钛矿电池效率提升：面积增大导致的效率降低是制约钙钛矿太阳能电池商业化进程的因素之一。研究发现，向钙钛矿溶液中引入BNCl分子后，可以提升大面积薄膜均匀性从而减轻器件效率随着面积的增大而下降的幅度。利用该方法在有效面积1 cm²的器件上实现了超过25%的认证光电转化效率，同时经过300 s的连续光照，器件可以保持稳定的功率输出。在12 cm²的模组上也实现了22.81%的认证效率。

图4. 钙钛矿电池性能：a) 0.1 cm²钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。b) 钙钛矿太阳能电池（0.1 cm²）的EQE测试结果。c) 含BNCl的钙钛矿太阳能电池（1 cm²）的J-V曲线。d)含BNCl的钙钛矿太阳能电池（1 cm²）在1.0 V固定偏压下300 s的光照稳定性。

含有添加剂分子的钙钛矿电池的稳定性：研究发现，含有BNCl的钙钛矿器件在不同的环境下，如连续光照、湿度存储和加热条件下，稳定性相较于对照组都有显著的提升。在MPPT追踪下，含有BNCl的器件连续工作2500小时后仍可以维持80%的初始效率。不同测试条件下稳定性的提高可归因于缺陷态密度的降低，(111)面结晶度的提高和钙钛矿层内的压缩残余应变。

图5. 器件的稳定性：a) 无封装的器件在N₂气氛下连续光照稳定性。b) 在N₂气氛下(65 oC)热稳定性。c) 在湿度为20 RH %的环境空气中存储稳定性。

相关研究结果展示了多功能添加剂在调控钙钛矿薄膜结晶和抑制界面缺陷方面的重要价值，为提升大面积钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性开辟了新方向。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202502916