《CEJ》磺酸基功能化共價有機框架賦能高效穩定鈣鈦礦太陽能電池：作用機制研究

從“鈍化缺陷”到“調控電荷輸運”

鈣鈦礦太陽能電池雖然具有優異的光電性能，但薄膜中的未配位Pb2?、鹵素空位及晶界缺陷容易引發非輻射復合，限制器件效率和長期穩定性。傳統分子添加劑通常側重缺陷鈍化，但可能存在熱穩定性不足、絕緣性較強或易在后續旋涂過程中流失等問題。

共價有機框架（COF）具有規則孔道、周期性共軛骨架和良好的結構穩定性，為同時調控缺陷和載流子輸運提供了新的材料平臺。研究團隊在常規BT-COF基礎上引入磺酸基，構建了SBT-COF，并將其直接摻入鈣鈦礦前驅體溶液中。

多重機制協同提升薄膜質量

理論計算表明，磺酸基的強極性和吸電子特性增強了SBT-COF內部的局域極化，使其HOMO與LUMO電子云呈現更加明顯的空間分離，從而強化內部電場，促進光生載流子的定向分離與輸運。與此同時，SBT-COF與鈣鈦礦表面的結合能達到?2.22 eV，高于未磺酸化BT-COF的?1.80 eV，說明其與鈣鈦礦之間具有更強的界面相互作用。羰基和磺酸基可與未配位Pb2?發生配位，有效降低缺陷密度并抑制陷阱輔助的非輻射復合。

此外，SBT-COF的有序孔道和周期性π共軛結構能夠提供額外的電荷輸運通道，并在鈣鈦礦結晶過程中發揮模板作用。經過SBT-COF修飾后，薄膜中的孔洞明顯減少，晶粒分布更加均勻，結晶質量得到改善。

載流子壽命提升約8倍

光致發光測試顯示，SBT-COF修飾薄膜的PL強度提高約2.81倍，平均載流子壽命由對照組的47.99 ns延長至433.23 ns，提升約8.03倍，表明薄膜中的非輻射復合受到顯著抑制。空間電荷限制電流測試進一步表明，電子型器件的缺陷密度由2.45 × 101? cm?3降低至1.16 × 101? cm?3，空穴型器件的缺陷密度由4.84 × 101? cm?3降低至2.36 × 101? cm?3。阻抗譜和光強依賴測試也證實，SBT-COF能夠降低串聯電阻、提高復合電阻，并有效抑制雙分子復合和陷阱輔助復合。

PSC器件效率與穩定性顯著提升

研究人員制備了ITO/MeO-2PACz/Perovskite/PCBM/BCP/Ag結構的倒置鈣鈦礦太陽能電池。對照器件的光電轉換效率為22.85%，而經SBT-COF優化后的器件獲得了25.31%的效率，其開路電壓、短路電流密度和填充因子分別達到1.18 V、25.22 mA cm?2和84.82%。性能提升主要來源于缺陷鈍化、載流子分離與輸運增強、薄膜結晶改善以及界面能級排列優化的協同作用。除效率外，SBT-COF還顯著增強了器件的環境穩定性。在氮氣環境中儲存76天后，未封裝器件仍保持初始效率的93%，而對照器件低于75%。在50 ± 5%相對濕度下放置916 h后，SBT-COF器件仍保持85%的初始效率，對照器件僅剩64%。

SBT-COF修飾后，鈣鈦礦薄膜的水接觸角由61.6°提高至85.6°，表明其表面疏水性明顯增強。在80 ± 5%相對濕度條件下暴露13天后，修飾薄膜仍保持黑色，而未修飾薄膜在第8天已出現明顯黃化。

總結與展望

該研究表明，功能化COF在鈣鈦礦太陽能電池中的作用并不限于傳統的缺陷鈍化。通過合理設計骨架結構和官能團，COF可以同時調控內部電場、載流子動力學、結晶過程及界面化學。SBT-COF所展現出的“有序輸運通道—強界面配位—內部電場增強—疏水保護”多功能協同機制，為高效率、高穩定性鈣鈦礦太陽能電池的材料設計提供了新的思路，也為功能化COF在光伏器件中的進一步應用奠定了基礎。

圖文導讀

文章信息

Unlocking the potential of sulfonate-functionalized covalent organic framework in perovskite solar cells: Mechanistic insights into high efficiency and stability

Fengwu Liu, Yongchao Ma, Haicheng Xia, Eunhye Yang, Yoomi Ahn, Pesi Mwitumwa Hangoma, Sung Heum Park*

Chemical Engineering Journal

DOI: 10.1016/j.cej.2026.178603

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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