有機-無機混合鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）效率自2009年3.8%提升至認證PCE 26.15%，展現競爭潛力。然而，溶液處理材料不穩定性阻礙商業化。溶液老化影響鈣鈦礦層性質及PVSCs性能，故開發穩定前驅溶液至關重要。
南昌大學陳義昌團隊于Angewandte發表的研究(DOI: 10.1002/anie.202411708)中，探討提升鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）前驅溶液穩定性的創新方法。其中提出雖然有多種延長保質期策略，研究團隊發現兩步法前驅溶液老化更顯著，因異丙醇更易引發副反應，針對兩步法前驅溶液的調控尤為重要，此研究為兩步法鈣鈦礦前驅溶液穩定化提供重要理論基礎和實際指導
研究團隊提出創新方法：在有機胺鹽溶液中添加苯-1,3-二硫醇（BDT），在PbI2前驅溶液中引入十甲基二茂鐵（FcMe10/ FcMe10+）對。BDT抑制胺-陽離子副反應和碘離子氧化，FcMe10/ FcMe10+對循環氧化Pb0和還原I2。結果顯示，改良后的PVSCs器件達25.31%的功率轉換效率（PCE），21天后仍保持95%效率，未封裝器件1500小時后維持85%初始效率。
圖1. a) 兩步前體溶液老化機制和靶向抑制策略的示意圖。
兩步法前驅溶液制備與器件制程
胺陽離子副反應是主要降解原因。去質子化引發副反應，生成低質量薄膜。I-離子氧化為I2影響性能。PbI2分解為Pb0和I2增加非輻射復合。研究者提出多種方法，如引入添加劑抑制去質子化、還原I2缺陷、控制結晶等。然而，現有研究主要集中一步法，單一添加劑難以全面解決問題。需開發選擇性穩定方法以維持精確化學計量比。
以下是透過論文全文及補充資料所歸納出的研究手法
1. 前體溶液的穩定化：研究人員針對兩步法中的前體溶液穩定性問題，提出了一種新方法。他們在有機胺鹽溶液中加入苯-1,3-二硫醇（BDT）和在碘化鉛（PbI2）前體溶液中加入十甲基二茂鐵（FcMe10/ FcMe10+），以穩定前體溶液。
2. 抑制副反應：BDT的加入可以抑制胺-陽離子副反應和碘離子的氧化，從而形成酸性和還原環境。FcMe10/ FcMe10+則作為氧化還原穿梭，循環氧化Pb0和還原I2。
3. 光電轉換效率測試：研究人員制備了過氧化物太陽能電池（PVSCs）裝置，并測試其光電轉換效率（PCE）。結果顯示，改良后的前體溶液制成的PVSCs裝置表現出的PCE為25.31%，并且在溶液老化21天后仍能保持95%的效率。
Fig S20. 參考和改良的光伏電池的 J-V 曲線，具有不同濃度的 a) BDT 和 b) FcMe10 在標準 AM 1.5 G 照明條件下（100 mW·cm-2）
本研究使用光焱科技AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器，可便于整合手套箱。針對易衰退的材料器件量測上具有相對有效的數據取的。
4. 長期穩定性測試：未封裝的裝置在最大功率點追蹤下連續照射1500小時后，仍能保持85%的原始效率。
Fig5. k) 對應設備的J-V曲線。l) 在N2手套箱中，在25°C下恒定光照下監測未封裝設備的MPP。
5. 各項表征量測與分析:
l X射線衍射（XRD）分析：為了探測前體溶液老化對殘留應力的影響，研究人員進行了深度依賴的掠入射X射線衍射（GIXRD）測量。
FigS13.來自a)控制前體溶液和b)在不同時間經過老化的目標前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜。
l 核磁共振（NMR）分析：通過1H-NMR測量來檢查反應物和產物的轉化，以深入了解降解和抑制機制。
l 紫外-可見（UV-vis）和穩態光致發光（PL）測試：這些測試用于評估大面積過氧化物薄膜的均勻性和光伏性能。
FigS5.顯示了紫外-可見光吸收光譜和照片：
(a) 純BDT溶液的吸收光譜，顯示在300 nm左右有吸收峰。
(b) 純I?和I?-BDT溶液的吸收光譜。I?溶液在300-400 nm范圍內有明顯的吸收峰，而I?-BDT溶液的吸收峰強度明顯降低，顯示出BDT對I?的影響。
FigS16.
a）控制前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜和
b）不同時間老化的目標前體溶液制備的鈣鈦礦薄膜的穩態PL光譜。
室溫下展現前驅體溶液95%的初始效率穩定性
本研究提出了針對性創新的策略，通過引入BDT和FcMe10+添加劑來穩定前驅體溶液，顯著延長了兩步前驅體溶液的保存期。這種方法的核心在于利用BDT中的-SH基團和FcMe10/FcMe+10氧化還原對來抑制有機陽離子的降解和I-的氧化。此策略不僅提高了前驅體溶液的穩定性，還改善了最終鈣鈦礦薄膜的質量。
結果表明，采用這種方法制備的鈣鈦礦薄膜具有更大的晶粒尺寸、更少的缺陷和顯著減少的PbI2殘留。這些改進直接轉化為光伏性能的提升，實現了25.31%的高效率。值得注意的是，即使在室溫下存儲21天后，摻雜的前驅體溶液仍保持穩定，相應器件仍能保持95%的初始效率。通過解決前驅體溶液穩定性這一關鍵挑戰，本研究為推進光伏技術的大規模應用做出了重要貢獻。
文獻參考自Angewandte 2024_Doi:10.1002/anie.202411708
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