通过半导体化学添加剂环化聚丙烯腈制备的高效稳定钙钛矿太阳能电池

《Langmuir》：Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cell via Semiconducting Chemical Additive Cyclized Polyacrylonitrile

本研究将环状聚丙烯腈（CPAN）作为多功能半导体添加剂引入有机无机杂化钙钛矿薄膜，通过C≡N和C=O基团抑制PbI2过早成核，钝化Pb缺陷和碘空位，调控结晶取向，优化能带对齐和界面防水性，使钙钛矿太阳能电池效率从20.56%提升至22.38%，并显著提高长期稳定性。

　　

经过处理的有机-无机杂化钙钛矿薄膜存在卤素空位、未配位的铅阳离子（Pb²⁺）以及表面和晶界处过量的碘离子，这些因素导致了非辐射复合、迟滞效应和能量损失。在本研究中，环化聚丙烯腈（CPAN）被引入作为多功能半导体添加剂到钙钛矿中，有效调控了钙钛矿薄膜的结晶过程并钝化了其缺陷。CPAN中的氰基（C≡N）和羰基（C═O）通过相互作用有效抑制了铅碘化物（PbI₂）簇的过早形成，减少了δ相钙钛矿的产生，从而促进了更大、更均匀的晶粒形成，有利于定向晶体生长。同时，强配位的氰基（C≡N）和中等配位的羰基（C═O）钝化了薄膜中的铅缺陷和浅层碘空位缺陷。此外，高电子迁移率的CPAN半导体使钙钛矿的能带结构更加整齐，有助于电荷提取。氰基（C≡N）的疏水性在晶界处形成了防水屏障，显著抑制了水分渗透到钙钛矿薄膜中。结果，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的转换效率从20.56%提升至22.38%，开路电压从1.08 V升高到1.11 V。值得注意的是，在无光照条件下储存900小时后，PSCs的初始效率仍保持在84%，显示出显著的操作稳定性提升。这项工作提出了一种控制晶体取向并制备高性能PSCs的新策略。