朱宗龍Science：25%！突破反式鈣鈦礦太陽能電池的極限！

相比于正式（n-i-p）鈣鈦礦太陽能電池，反式（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池憑借更加簡便的制造工藝、低溫成膜、無明顯遲滯、易于與傳統(tǒng)太陽能電池制備疊層器件等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注。但是，反式鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展仍然受制于其較低的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），同時(shí)其穩(wěn)定性和使用壽命仍無法達(dá)到國際電工委員會對于商業(yè)化光伏器件的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)（IEC61215:2016）。因此，開發(fā)一種簡單高效的方法以同時(shí)提高反式鈣鈦礦電池的PCE和長期穩(wěn)定性對于加速其商業(yè)化進(jìn)程十分關(guān)鍵。

鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層界面處的缺陷和非理想電荷傳輸是制約反式鈣鈦礦太陽能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，有效的界面層材料的選擇對于實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定光伏器件尤為重要。在此前的研究中，有機(jī)材料因其靈活性和多功能性被廣泛應(yīng)用為鈣鈦礦太陽能電池的界面層。但是，有機(jī)材料因其較低的導(dǎo)電性和載流子遷移率容易形成界面屏障妨礙載流子傳輸。無機(jī)界面層材料因其具有高載流子導(dǎo)電性和穩(wěn)定性也備受關(guān)注，但由于其剛性結(jié)構(gòu)在一定程度上不能很好的與鈣鈦礦表面緊密結(jié)合進(jìn)而形成相互作用。因此，開發(fā)出一種同時(shí)結(jié)合有機(jī)和無機(jī)材料特點(diǎn)的界面材料是進(jìn)一步提升反式鈣鈦礦太陽能電池性能和穩(wěn)定性的新思路。

02【成果掠影】

近日，香港城市大學(xué)朱宗龍博士與倫敦帝國理工學(xué)院Nicholas J. Long教授聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種二茂鐵有機(jī)金屬衍生物（FcTc2）功能化界面層，大幅度地提高了反式鈣鈦礦太陽能電池的PCE以及長期穩(wěn)定性。FcTc2中的有機(jī)官能團(tuán)有效地鈍化了鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子引起的缺陷，同時(shí)由于二茂鐵基團(tuán)的富電子及其可離域的特性極大限度地提高了鈣鈦礦界面間的電荷傳輸速度。通過FcTc2界面修飾后的器件，其開路電壓（VOC）以及填充因子（FF）得到了較大的提升，實(shí)驗(yàn)室測試效率達(dá)到了反式鈣鈦礦太陽能電池記錄效率25%（認(rèn)證效率為24.3%）。FcTc2界面修飾后的器件展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性，在長期光照1500小時(shí)后仍維持在初始效率的98%，在濕熱環(huán)境下(85℃/85% RH)的穩(wěn)定性測試通過了IEC61215:2016的國際標(biāo)準(zhǔn)。該研究為鈣鈦礦太陽能電池界面材料設(shè)計(jì)提供了新的選擇，于2022年4月22日以題為“Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”發(fā)表在知名期刊Science上。

03【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

1、通過引入FcTc2，其中的有機(jī)官能團(tuán)有效地鈍化了鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子引起的缺陷，同時(shí)由于二茂鐵基團(tuán)的富電子及其可離域的特性極大限度地提高了鈣鈦礦界面間的電荷傳輸速度。

2、通過FcTc2界面修飾后的器件，其短路電壓（VOC）以及填充因子（FF）得到了較大的提升，實(shí)驗(yàn)室測試效率達(dá)到了反式鈣鈦礦太陽能電池記錄效率25%（認(rèn)證效率為24.3%）。

3、FcTc2界面修飾后的器件展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性，在長期光照運(yùn)行1500小時(shí)后仍維持在初始效率的98%，在濕熱環(huán)境下（85℃/85% RH）的穩(wěn)定性測試通過了IEC61215:2016的國際標(biāo)準(zhǔn)。

04【數(shù)據(jù)概覽】

圖一、FcTc2功能化后的鈣鈦礦薄膜表征 2022 AAAS

（A）以FcTc2為界面功能化材料的反式PSC示意圖。

（B）PSC的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）表征。

（C-E）在有和沒有FcTc2的鈣鈦礦薄膜上Pb、I和N的XPS表征。

（F-H）鈣鈦礦和FcTc2相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬。

圖二、鈣鈦礦薄膜表征 2022 AAAS

（A-B）通過掃描對照和FcTc2處理的鈣鈦礦薄膜的KPFM獲得表面電位圖像。

（C）FcTc2處理的鈣鈦礦薄膜以及對照組的TRPL表征。

（D-G）PFIR顯微鏡在1480 cm-1的紅外頻率下（MA+離子的C-N伸縮吸收共振）顯示對照組和FcTc2改性鈣鈦礦薄膜在85℃下照射1000小時(shí)前后結(jié)果。

（H）FcTc2穩(wěn)定表面離子的示意圖。

圖三、器件性能表征 2022 AAAS

（A）使用和不使用FcTc2的最佳性能設(shè)備的J-V曲線。

（B）有/無FcTc2的最佳性能器件的EQE光譜和集成電流密度。

（C）經(jīng)FcTc2處理的性能最佳的PSC的最大功率點(diǎn)穩(wěn)定功率輸出。

（D）30臺有/無FcTc2的設(shè)備的PCE值直方圖。

（E）在不同電壓下，有/無FcTc2的的PSC在LED模式下的EQEEL值。

（F）作為LED運(yùn)行的基于FcTc2的PSC的EL光譜。

圖四、鈣鈦礦器件穩(wěn)定測試 2022 AAAS

（A）在氮?dú)猸h(huán)境和室溫下，在最大功率點(diǎn)條件下連續(xù)1個(gè)太陽照射時(shí)測量未封裝PSC（有/無FcTc2）的標(biāo)準(zhǔn)化PCE。

（B-C）依據(jù)IEC61215:2016標(biāo)準(zhǔn)測量的有/無FcTc2的PSC的標(biāo)準(zhǔn)化PCE。（B）封裝設(shè)備在85%相對濕度和85 °C的黑暗中儲存。（C）封裝設(shè)備存儲在-40 °C（停留15分鐘）至85 °C（停留15分鐘），升溫速率為100 °C h-1。

05【成果啟示】

綜上所述，研究人員報(bào)道了一種有機(jī)金屬化合物二茂鐵基雙噻吩-2-羧酸鹽（FcTc2）對多金屬化和鹵化物鈣鈦礦界面的功能化，同時(shí)提高了反式PSC的效率和穩(wěn)定性。在模擬AM 1.5照明下，在最大功率點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行1500小時(shí)后，合成設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.0%，并保持其初始效率的98%以上。此外，F(xiàn)cTc2功能化設(shè)備通過了成熟光伏的國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC61215:2016），并在濕熱試驗(yàn)（85°C和85%相對濕度）下表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。該研究為鈣鈦礦太陽能電池界面材料設(shè)計(jì)提供了新的方向。

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