鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和低成本制備，在過(guò)去十年間引發(fā)了廣泛的研究熱潮，并被認(rèn)為是最有潛力替代傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池的下一代光伏技術(shù)之一。近年來(lái)，PSCs 的效率不斷提升，并不斷刷新著世界紀(jì)錄。

南方科技大學(xué)許宗祥教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)Alex K.-Y Jen教授團(tuán)隊(duì)合作，近期取得重大突破，成功研發(fā)出一種新型自組裝單分子層 (SAM) 材料，并將其應(yīng)用于倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了驚人的 26.17% 的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。 這一研究成果發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《Joule》上。

突破的關(guān)鍵：自組裝單分子層材料

自組裝單分子層 (SAM) 材料，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中扮演著重要的角色，可以有效地調(diào)節(jié)電極的功函數(shù)，促進(jìn)電荷的提取和傳輸，提升器件的性能和穩(wěn)定性。其中在界面修飾上，改善鈣鈦礦層與電極之間的界面接觸質(zhì)量，有效減少界面缺陷和不連續(xù)性; 能級(jí)對(duì)齊，優(yōu)化電荷的注入和傳輸效率;能抑制離子遷移，在界面上形成緊密的分子排列，限制離子的遷移路徑; 減少非輻射復(fù)合，在鈣鈦礦層與電極之間形成均勻的復(fù)蓋層，減少界面處的非輻射復(fù)合損失，有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率; 防止?jié)駳馇秩耄柚節(jié)駳夂脱鯕馇秩脞}鈦礦層，從而提高電池的耐候性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性，通過(guò)分子間的相互作用增強(qiáng)鈣鈦礦層與電極之間的粘附力，提高整個(gè)器件的機(jī)械穩(wěn)定性，減少在加工和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的分層或裂紋現(xiàn)象。

傳統(tǒng)上，商業(yè)化的 SAM 材料，如 Me-4PACz，通常采用靈活的烷基鏈作為連接基團(tuán)，這會(huì)導(dǎo)致分子排列不規(guī)則，影響材料的穩(wěn)定性和電荷傳輸效率。

Me-4PACz（4-苯基胺甲基二磷酸酯）和 Me-PhpPACz（苯基化的4-苯基胺甲基二磷酸酯）兩種用于優(yōu)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面的自組裝單分子層（SAM）材料差異性:

·  分子結(jié)構(gòu)：

• Me-4PACz：含有一個(gè)簡(jiǎn)單的4-苯基胺甲基基團(tuán)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

• Me-PhpPACz：在 Me-4PACz 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了苯基化處理，使得分子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，具有更大的分子體積和更復(fù)雜的分子間相互作用。

·  表面修飾效果：

• Me-4PACz：能夠有效修飾電極表面，但其修飾效果受限于其簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)，可能無(wú)法充分覆蓋或優(yōu)化界面。

• Me-PhpPACz：由于苯基化處理，能夠提供更好的界面覆蓋和修飾效果，從而進(jìn)一步優(yōu)化界面性質(zhì)。

許宗祥教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)Alex K.-Y Jen教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)將 Me-4PACz 中的柔性烷基鏈替換為剛性、共軛的亞苯基環(huán)，成功合成了一種新型的 SAM 材料：Me-PhpPACz。這種結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，賦予了 Me-PhpPACz 更加優(yōu)異的性能：

l   更高的分子密度： 由于亞苯基環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)，Me-PhpPACz 分子在基底上排列更加緊密，形成更加致密的薄膜，有效地減少了器件的漏電流，提升了其穩(wěn)定性。

l   更強(qiáng)的電荷傳輸能力： 共軛亞苯基環(huán)的引入，增強(qiáng)了分子間的電荷傳輸效率，提高了器件的填充因子，進(jìn)而提升了其能量轉(zhuǎn)換效率。

l   更低的功函數(shù)： Me-PhpPACz 的引入，可以有效調(diào)節(jié)電極的功函數(shù)，促進(jìn)空穴的提取，提高器件的開(kāi)路電壓。

突破性的成果

這項(xiàng)研究最終取得了突破性成果：

l   使用 Me-PhpPACz 材料的倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 達(dá)到驚人的 26.17%，并獲得 NREL 認(rèn)證的穩(wěn)態(tài)效率。

l   器件表現(xiàn)出非凡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在 65°C 的環(huán)境溫度下，連續(xù)運(yùn)行超過(guò) 1200 小時(shí)，仍保持 95% 的初始效率。

反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的近3年研究突破論文

近年來(lái)，倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究取得了突破性進(jìn)展，以下是一些代表性的論文：

2021年： Nature. 25.2% Pseudo-halide anion engineering for α-FAPbI3 perovskite solar cells, PI： J. Y. Kim (UNIST韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院)

2022年： Nature Photonics. 23.91% Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多倫多/西北大學(xué))

2023年： Science.24.09% Engineering ligand reactivity enables high-temperature operation of stable perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多倫多/西北大學(xué))

2024年:  Science. 26.14% Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands, PI: Edward H. Sargent (多倫多/西北大學(xué))

未來(lái)展望

許宗祥教授團(tuán)隊(duì)的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。未來(lái)，研究人員將繼續(xù)探索更有效的缺陷管理和離子滲透阻擋策略，并結(jié)合先進(jìn)的表征手段和模擬計(jì)算，進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性，推動(dòng)該技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用。

Fig. 4. 反式過(guò)氧化物太陽(yáng)能電池的光伏性能(A) 器件結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過(guò) 10 ps AIMD模擬。

(B）Me-PhpPACz 器件的橫截面 SEM 圖像。

(C）基于 Me-4PACz 和 Me-PhpPACz 的 PSC 的 J-V 曲線（數(shù)據(jù) S1.C）。基于Me-PhpPACz），（D）Me-4PACz 和基于 Me-PhpPACz 的 PSC 以及集成 JSC 在 AM 1.5G 標(biāo)準(zhǔn)頻譜上的 IPCE 曲線，（E）器件 FF S-Q 限制，包括電荷傳輸損耗和非輻射損耗；（F）基于 Me-4PACz 和 MePhpPACz 的 PSC 在 0.01-2,000 mA/cm2 范圍內(nèi)的 EQEEL 和 EL 圖像，以及 (G) 在 N2 和模擬 1 sun AM 1.5G 光照下跟蹤未冷卻器件的 MPP（工作溫度達(dá)到 50C G 10C）。溫度為 50C G 10C)

原文出處: joule _ DOI