钙钛矿太阳能电池（PSC）近年来发展迅猛，已成为最有潜力的下一代光伏技术之一。然而，钙钛矿材料的稳定性和制备工艺仍存在一些挑战，阻碍着 PSC 的大规模应用。提高钙钛矿电池效率和稳定性的一个重要方法是缺陷钝化，以减少缺陷态和陷阱态，提高电荷载流子传输效率。
在最近发表在《Nature》期刊的一项重要研究中，由香港城市大学冯宪平教授和英国牛津大学 Henry J. Snaith 教授共同领导的团队，发展出了一种具有突破性的水活化动力钝化策略，为高效且稳定性的钙钛矿太阳能电池技术的实现铺平了道路。
【水活化动力钝化技术：突破性新策略！】
这项研究的关键是开发了一种新的钝化材料——阻碍脲/硫代氨基甲酸酯键 Lewis 酸碱材料（HUBLA）。这种材料利用水活化动力键合，能够在钙钛矿材料中动态形成新的钝化剂，以修复材料中的缺陷，进而提高器件效率和稳定性。
传统的钝化材料通常只能在制备过程中被施加，而在装置运作后其效果就会减弱或消失。HUBLA 突破了传统技术的限制，它能够在环境中的水分和热量的作用下动态地进行修复，类似于“自我修复"功能。
HUBLA 的工作机制
HUBLA 在水存在的情况下会产生新的钝化剂，以封堵材料的缺陷。这些钝化剂可以与钙钛矿中的碘空位、无机阳离子等缺陷进行作用，抑制电荷复合，进而提高器件的效率和稳定性。 更值得关注的是，HUBLA 材料还能根据周围环境中的热量进行自我调整，在加热条件下生成新的钝化剂。这种“热活化"特性为HUBLA 钝化材料带来了更高的应用弹性，在多种环境条件下都可以发挥有效的钝化作用。
【HUBLA 钝化技术：实现高效和稳定性！】
研究团队以 HUBLA 钝化材料制备了高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。阻碍脲/硫代氨基甲酸酯键 Lewis 酸碱材料（HUBLA）能优化钙钛矿太阳能电池的原因主要包括以下几点：
l 钝化缺陷： 钙钛矿材料中常存在缺陷，这些缺陷会成为电子-空穴复合中心，降低电池的效率。HUBLA材料可以通过与钙钛矿表面的未配位金属离子或缺陷位点发生反应，钝化这些缺陷，减少复合过程，提高电池的光电转换效率。
l 改善接口质量： 在钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿层与电极之间的接口质量对于电池性能至关重要。HUBLA材料能改善这些接口的质量，提高接口处的电荷传输效率，减少电荷复合，从而提升电池性能。
l 稳定性增强： 钙钛矿材料本身容易受环境因素（如湿度、氧气、光照等）的影响而降解。HUBLA材料可以提供一种保护层，防止环境因素对钙钛矿材料的侵蚀，显著增强电池的稳定性和寿命。
l 能级匹配优化： HUBLA材料具有Lewis酸碱性质，可以调整钙钛矿材料与电极之间的能级匹配，从而优化电荷注入和提取过程，减少能量损失，提高电池的开路电压和填充因子。
实验结果显示，采用 HUBLA 钝化的钙钛矿太阳能电池，转换效率可达 25.1%。此外，该器件在 85℃ 下氮气气氛中老化 1500 小时后，仍能保持初始效率的 94%，而在此温度下以及 30% 相对湿度（RH）空气中老化 1000 小时后，其效率仍能维持初始效率的 88%。
【研究结果：重大的科学突破和应用前景】
这项研究的成功不仅证明了水活化动力钝化策略的可行性，而且展现了HUBLA 在提高钙钛矿太阳能电池性能和稳定性方面具有巨大潜力。该研究团队认为，这项技术突破有望为未来钙钛矿太阳能电池的发展提供新思路，加速其商业化应用。
未来，该研究团队将继续优化HUBLA 材料，探索更多水活化动力钝化策略，开发更加稳定高效的钙钛矿太阳能电池，为实现低成本、高效清洁能源目标而努力。
总结
香港城市大学 Feng Shien-Ping 教授领导的研究团队，利用新颖的水活化动力钝化策略，显著提高了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。HUBLA 材料能够在环境水分和热量作用下，动态修复钙钛矿材料缺陷，使器件在不同环境下都具有良好的性能表现。 这一研究成果标志着钙钛矿太阳能电池技术发展的一个重大突破，将为未来推动光伏技术发展具有深远的影响。
重要技术参数:
钙钛矿太阳能电池转换效率： 25.1%
热稳定性： 在 85℃ 下氮气气氛中老化 1500 小时后，仍能保持初始效率的 94%
湿稳定性： 在 85℃ 和 30% 相对湿度（RH）空气中老化 1000 小时后，其效率仍能维持初始效率的 88%。
关键材料: 阻碍脲/硫代氨基甲酸酯键 Lewis 酸碱材料（HUBLA）
关键技术: 水活化动力钝化策略
参考文献
Water- and heat-activated dynamic passivation for perovskite photovoltaics
Nature 2024
【本研究参数图】
Fig S5. 羟基和异氰酸酯基之间的反应。(a) 羟基和异氰酸酯基反应的化学方程式。(b) NCO-AS 与 IPA 反应 30 分钟的 1H-NMR 光谱。对于（b）和（c）、 0 分钟后加入 IPA。
Fig S6. HUBLA 的交联机制。两个过氧化物晶体 一般不能结合在一起，因为在接口上没有相互作用或结合。交联机制 相反，如果在包晶表面涂上 HUBLA，HUBLA 就能在接口上解离和结合，部分 HUBLA 就能与包晶结合在一起。HUB 可以在接口上解离和结合，部分 HUB 可以在两个晶体的接口上诱导交联（白色球代表 -N+H3
Fig S14. 原始和 HUBLA 涂层过氧化物晶体的稳态 PL 和 TRPL。插图为透辉石晶体的照片和稳态 PL
推荐设备：
LQ-100X_PL_ 光致发光及发光量子产率测试系统
以下几点优势，可应对材料测试面临的挑战：
l以紧凑的设计，尺寸大小 502.4mm(L) x 322.5mm(W) x 352mm(H)，搭配4吋外径PTFE材质的积分球，并且整合NIST追溯的校准，让手套箱整合PL与PLQY成为可能。
l 利用先进的仪表控制程序，可以进行原位时间PL光谱解析，并且可产生2D与3D图表，说明使用者可以更快地表征材料在原位时间的变化。
l 系统光学设计可容易的做红外扩展，波长由700-1100nm， 可展延至1700nm。粉末、溶液、薄膜样品都可相容测试。
文献参考自 Nature 2024 DIO: 10.1038/s41586-024-07705-5
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