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Science：光固化含氟聚合物提高钙钛矿太阳能电池效率及稳定性
有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的能量转换效率近几年来出现了突飞猛进的提高，已经高达22.1%，不过，制约其应用的因素——材料稳定性却依然存在，而实际应用中可信赖的器件需要长期的稳定性。通常情况下，钙钛矿太阳能电池面临两种情形会限制其稳定性，一种是暴露于空气中，活性材料会发生降解；另一种是暴露于电场中，活性材料会发生降解。后者的一个典型现象，就是在光照下其电流-电压曲线会发生迟滞效应，这是由钙钛矿材料中的离子运动造成的，通常可以利用合适的电极或者形貌控制来改善。但是，钙钛矿电池在潮湿环境中经常也会遇到来自光化学及高温的压力，这也是目前不可避免的挑战。
有几种策略可以提高其器件的稳定性，比如说器件的包封或者用金属氧化物作为界面材料。不过，类似的方法只能改善其中某类稳定性，比如包封虽然可以防止湿气渗入，但是却不能阻碍外部环境的光化学以及热压力。最近都灵理工大学Federico Bella、米兰理工大学Gianmarco Griffini和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Anders Hagfeldt等人在Science报道采用光固化含氟聚合物提高钙钛矿太阳能电池效率及稳定性。（Improving efficiency and stability of perovskite solar cells with photocurable fluoropolymers. Science, 2016, 354, 203-206, DOI: 10.1126/science.aah4046）
图1. (A) 紫外旋涂聚合物薄膜原理示意图. (B) 归一化的吸收、发射以及内量子效率. (C) 旋涂前钙钛矿电池的截面扫描电镜. (D) 在紫外灯下，旋涂了紫外荧光材料的照片。图片来源：Science
如图1A，作者设想将光固化含氟聚合物置于电池的表层（如玻璃层一侧），为了使得该聚合物具有荧光下转移（luminescent downshifting，LDS）性能，作者向聚合物中掺杂了巴斯夫公司生产的有机染料Lumogen F Violet 570，在室温下通过光引发的自由基聚合在电池器件表面得到了多功能含氟聚合物层。这种荧光聚合物可以吸收紫外光并发射可见光，其吸收、发射以及旋涂了聚合物的电池内量子曲线如图1B所示。很明显的可以看到，荧光聚合物吸收了多数的紫外光区，钙钛矿电池的内量子曲线在400 nm以下的紫外区响应非常弱。
图2. (A) 旋涂紫外荧光聚合物前后的电流电压曲线. (B) 同一钙钛矿电池的内量子效率曲线，有无旋涂紫外荧光材料的内量子曲线。图片来源：Science
从图2A可以明显看出，在旋涂该聚合物前后，光电转换效率具有明显的差别，旋涂之后的电流变大。这可以从图1B与1D找到答案，当聚合物吸收了紫外区的光后，发射峰红移，发光的区域为400-500 nm。而钙钛矿电池吸收这部分光，内量子转换效率增大（当然该聚合物在400-500 nm的吸收非常弱，可以认为并没有对钙钛矿活性层的吸收产生影响）。
随后作者回归到核心问题，研究增加聚合物涂层对钙钛矿电池稳定性的影响。从图3可以看出，前三个月在氩气环境并暴露于紫外光下，没有旋涂的钙钛矿电池效率骤降非常明显，而一侧旋涂及两侧旋涂的效率没有明显下降。这说明，旋涂了该聚合物层后明显可以提高对紫外光的稳定性。后三个月，50%湿度并暴露于紫外光下，两侧旋涂的钙钛矿电池仍然具有非常好的稳定性。
图3. 不同条件下的老化试验（前三个月都在氩气气氛下；后三个月在湿度为50%的气氛下；六个月都置于紫外照射下）。图片来源：Science
总之，该多功能含氟聚合物可以起到的作用有：(i) 防止钙钛矿活性层受到紫外照射，并且将紫外光转化为有用的可见光；(ii) 起到防潮保护层作用，防止钙钛矿层水解；(iii) 通过该聚合物的自清洁作用（由于表面能非常低）保持钙钛矿电池前电极的自清洁。
http://science.sciencemag.org/content/354/6309/203