高平奇教授/谢江生副教授团队Nature Communications：螯合铅八面体骨架工程用于钙钛矿表面稳定钝化

       PbI₆八面体作为金属卤化钙钛矿的基本骨架，既赋予了钙钛矿材料优异的光电性质，同时也导致其具有软晶格特性。碘离子沿着PbI₆八面体进行迁移在所有离子中具有最低的能垒，因此被认为是影响钙钛矿电池器件稳定性的关键因素。针对该问题，目前在钙钛矿太阳能电池领域大部分研究集中在通过在钙钛矿表面利用卤化盐、带官能团的有机分子以及低维钙钛矿等钝化方式抑制碘离子迁移，这些策略在提高器件稳定性方面取得了长足进步，然而大都没有从根本上改变钙钛矿表面的PbI₆软晶格八面体结构。
       本工作提出了一种用双齿配体分子N，N'-二甲基-1,2-乙二胺（DMEDA）处理钙钛矿表面的方式，这种策略可以形成一个新型、结构更为稳定的螯合铅八面体层，从而有效地稳定和钝化底层钙钛矿。本工作首次发现并成功合成出单晶，通过XRD测试解析出该材料的化学组成PbI₂(DMEDA)和晶体结构，与钙钛矿PbI₆八面体相比，其中两个I被DMEDA双齿配体取代，具有扭曲的螯合Pb八面体结构。由于螯合强配位作用，该材料在光、热和湿度环境下具有非常好的稳定性。进一步测试表征得到，该材料是直接带隙半导体，其禁带宽度为3 eV。通过理论计算以及实验测试比较了螯合铅八面体和PbI₆八面体的碘离子迁移活化能，证实了螯合物具有更高的离子迁移势垒。因此，经由原位构筑螯合铅八面体表面的钙钛矿薄膜，其碘离子迁移现象被有效抑制，并且具有更低的缺陷态密度和更优异的载流子传输特性，最终基于该钝化所制备的电池器件实现了25.7%的光电转换效率和更好的工作稳定性。

图1 螯合铅八面体PbI₂(DMEDA)以及原位表面构筑。

图2 钙钛矿电池的稳定性以及离子迁移分析。

    上述成果于2024年9月4日以“Robust chelated lead octahedron surface for efficient and stable perovskite solar cells”为题发表于期刊Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-024-52198-5)。威廉希尔WilliamHill官方网站料学院2020级硕士生温彬、2020级博士生陈甜、2021级硕士生尹奇欣为论文共同第一作者，谢江生副教授和高平奇教授为论文的共同通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究项目、广东省自然科学基金面上项目和中山大学光电材料与技术国家重点实验室自主课题基金的支持。