鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電轉換效率和低成本制備，在過去十年間引發(fā)了廣泛的研究熱潮，并被認為是最有潛力替代傳統(tǒng)硅太陽能電池的下一代光伏技術之一。近年來，PSCs 的效率不斷提升，并不斷刷新著世界紀錄。
南方科技大學許宗祥教授團隊與香港城市大學Alex K.-Y Jen教授團隊合作，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，并將其應用于倒置鈣鈦礦太陽能電池，實現了驚人的 26.17% 的能量轉換效率 (PCE)，創(chuàng)下了新的世界紀錄。 這一研究成果發(fā)表在國際頂尖期刊《Joule》上。
突破的關鍵：自組裝單分子層材料
自組裝單分子層 (SAM) 材料，在鈣鈦礦太陽能電池中扮演著重要的角色，可以有效地調節(jié)電極的功函數，促進電荷的提取和傳輸，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量，有效減少界面缺陷和不連續(xù)性; 能級對齊，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; 減少非輻射復合，在鈣鈦礦層與電極之間形成均勻的復蓋層，減少界面處的非輻射復合損失，有助于提高光電轉換效率; 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期穩(wěn)定性。增強機械穩(wěn)定性，通過分子間的相互作用增強鈣鈦礦層與電極之間的粘附力，提高整個器件的機械穩(wěn)定性，減少在加工和使用過程中可能出現的分層或裂紋現象。
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，這會導致分子排列不規(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)化鈣鈦礦太陽能電池界面的自組裝單分子層（SAM）材料差異性:
· 分子結構：
Me-4PACz：含有一個簡單的4-苯基胺甲基基團，結構相對簡單。
Me-PhpPACz：在 Me-4PACz 的基礎上進行了苯基化處理，使得分子結構更加復雜，具有更大的分子體積和更復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單的分子結構，可能無法充分覆蓋或優(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，從而進一步優(yōu)化界面性質。
許宗祥教授團隊與香港城市大學Alex K.-Y Jen教授團隊合作，通過將 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。這種結構上的改進，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)的剛性結構，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 更強的電荷傳輸能力： 共軛亞苯基環(huán)的引入，增強了分子間的電荷傳輸效率，提高了器件的填充因子，進而提升了其能量轉換效率。
l 更低的功函數： Me-PhpPACz 的引入，可以有效調節(jié)電極的功函數，促進空穴的提取，提高器件的開路電壓。
突破性的成果
這項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能電池，能量轉換效率 (PCE) 達到驚人的 26.17%，并獲得 NREL 認證的穩(wěn)態(tài)效率。
l 器件表現出非凡的長期穩(wěn)定性，在 65°C 的環(huán)境溫度下，連續(xù)運行超過 1200 小時，仍保持 95% 的初始效率。
反式鈣鈦礦太陽能電池的近3年研究突破論文
近年來，倒置鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了突破性進展，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韓國科學技術院)
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)
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)
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)
未來展望
許宗祥教授團隊的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用開辟了新的道路。未來，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，并結合先進的表征手段和模擬計算，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，推動該技術走向商業(yè)化應用。
Fig. 4. 反式過氧化物太陽能電池的光伏性能(A) 器件結構以及經過 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（數據 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 標準頻譜上的 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（工作溫度達到 50C G 10C）。溫度為 50C G 10C)
原文出處: joule _ DOI
