研究亮點(diǎn)：
1. 茶堿，咖啡因和可可堿可用于鈍化鈣鈦礦表面的缺陷
2. 茶堿分子中N-H和C=O的最佳構(gòu)型利于降低鉛的反位缺陷
3. 茶堿處理后，鈣鈦礦太陽能電池效率從21%提高到了22.6％。
表面陷阱介導(dǎo)的非輻射電荷復(fù)合制約了高效金屬鹵化物鈣鈦礦光伏電池的發(fā)展。鈣鈦礦晶格的離子特性通過官能團(tuán)和缺陷之間的相互作用使分子缺陷鈍化方法成為可能。然而，缺乏對(duì)分子構(gòu)型如何影響鈍化效果的深入了解，從而對(duì)合理的分子設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。
有鑒于此，加州大學(xué)洛杉磯分校楊陽教授及其合作者系統(tǒng)地研究了茶堿，咖啡因和可可堿（類似“喝茶”、“喝咖啡”、“吃巧克力”）的不同化學(xué)環(huán)境的官能團(tuán)對(duì)缺陷鈍化的情況。
當(dāng)分子中N-H和C=O處于最佳構(gòu)型時(shí)，N-H和I之間的氫鍵形成有助于主要的C=O與Pb（鉛）反位缺陷的結(jié)合，從而最大化表面缺陷結(jié)合。研究結(jié)果表明，用茶堿處理的鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定效率可達(dá)到22.6％。
圖1.三個(gè)表面C=O基團(tuán)的表面缺陷識(shí)別和構(gòu)造構(gòu)型不同的化學(xué)環(huán)境，（A）各種類型的表面缺陷的俯視圖。（B）鈣鈦礦與茶堿，咖啡因和可可堿PbI反位分子表面鈍化的理論分子模型。（C）在有或沒有小分子處理的情況下，鈣鈦礦型太陽能電池在反掃J-V曲線。
圖2. 表面缺陷與小分子之間相互作用的研究，（A）純茶堿和茶堿-PbI2膜的FTIR光譜，（B）純咖啡因和咖啡因-PbI2膜，（C）純可可堿和可可堿-PbI2膜。（D）沒有和有小分子處理的鈣鈦礦薄膜的PL光譜。（E）鈣鈦礦型太陽能電池中經(jīng)過或未經(jīng)過小分子處理的tDOS。（F）鈣鈦礦型太陽能電池經(jīng)過或不經(jīng)過小分子處理的EIS譜。
圖3. 鈣鈦礦薄膜的特性以及茶堿處理的界面，（A）Pb 4f 7/2和Pb 4f 5/2的XPS光譜。（B）有或沒有茶堿處理的鈣鈦礦薄膜的UPS光譜。（C）AFM和鈣鈦礦膜經(jīng)過（右）或不經(jīng)過（左）茶堿處理的KPFM圖像。（D）茶堿處理前后鈣鈦礦薄膜的時(shí)間分辨PL光譜。（E）橫截面SEM圖以及相應(yīng)的EBIC圖像和線輪廓（右）或不（左）茶堿處理鈣鈦礦型太陽能電池。
圖4. 茶堿處理鈣鈦礦型太陽能電池的光伏性能和長期穩(wěn)定性J-V曲線，(A)鈣鈦礦太陽能電池的效率曲線。（B）鈣鈦礦太陽能電池的EQE曲線。（C）最佳鈣鈦礦型太陽能電池的穩(wěn)定最大功率輸出和光電流密度最大功率點(diǎn)隨時(shí)間的變化。（D）鈣鈦礦型太陽能電池的PCE分布。（E）封裝的鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性測(cè)試。
總而言之，表面缺陷處的電荷復(fù)合會(huì)限制鈣鈦礦太陽能電池的效率，但這些缺陷可通過小分子的結(jié)合而鈍化。楊陽等人研究了三個(gè)這樣的小分子-茶堿，咖啡因和可可堿（同時(shí)帶有羰基和氨基）。對(duì)于茶堿，氨基氫與表面碘化物之間的氫鍵作用使具有鉛的反位缺陷的羰基相互作用最優(yōu)化，鈣鈦礦太陽能電池的效率從21％提高到22.6％。
Constructive molecular configurations for surface-defectpassivation of perovskite photovoltaics，Science，2019
DOI: 10.1126/science.aay9698
https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1509
