近年來， 鈣鈦礦太陽能電池（PSC） 因其光電轉換效率和低成本， 迅速成為下一代太陽能電池技術的研究熱點。 然而， 鈣鈦礦材料本身存在的界面缺陷、 載流子復合以及環境穩定性等問題， 一直是阻礙鈣鈦礦太陽能電池走向實用化的主要障礙。

為了解決這些問題， 科學家們一直在努力尋找新方法， 其中， 改善器件的界面， 減少非輻射復合損失， 提升電池的穩定性和效率， 成為了一個重要的研究方向。 鈣鈦礦太陽能電池的結構主要分為兩種： 正式結構 (n-i-p 結構) 和反式結構 (p-i-n 結構)， 兩種結構在材料組成、 加工工藝、 光電性能、 穩定性和應用場景等方面各有優劣：

l  結構

2  n-i-p 結構: 這種結構的鈣鈦礦太陽能電池采用電子傳輸層 (ETL) 作為底層， 鈣鈦礦活性層位于中間， 空穴傳輸層 (HTL) 在頂層。 n-i-p 結構的典型材料組合是 TiO2 作為電子傳輸層， Spiro-OMeTAD 作為空穴傳輸層。

2  p-i-n 結構: 這種反式結構則是以空穴傳輸層 (HTL) 作為底層， 鈣鈦礦活性層在中間， 電子傳輸層 (ETL) 在頂層。 p-i-n 結構通常采用 PEDOT 作為空穴傳輸層， PCBM 或 C60 作為電子傳輸層。

l  加工工藝

2  n-i-p 結構: 通常需要高溫燒結過程， 特別是 TiO2 電子傳輸層的制備需要高溫處理， 這可能限制了其應用范圍。

2  p-i-n 結構: 通常可以在低溫下加工， 適合制備在柔性基底上， 更加適用于大規模生產和應用。

l  光電性能

2  n-i-p 結構: 由于其電子傳輸層和空穴傳輸層材料的選擇， 通常具有較高的光電轉換效率， 但可能存在較大的遲滯現象。

2  p-i-n 結構: 在減少遲滯現象方面表現更好， 且在優化后， 其光電轉換效率也可以非常高。

l  穩定性

2  n-i-p 結構: 可能由于電子傳輸層材料在高溫條件下的穩定性， 長期穩定性相對較好。

2  p-i-n 結構: 通過優化材料和界面， 可以實現較好的長期穩定性， 并且在低溫制備條件下， 有助于減少材料的降解。

l  應用場景

2  n-i-p 結構: 由于其需要高溫處理， 通常應用于剛性基底和傳統光伏領域。

2  p-i-n 結構: 適用于柔性電子、 可穿戴設備和建筑一體化等新興領域。

近期， 林雪平大學物理、 化學和生物系高峰教授團隊聯合華東師范大學保秦燁教授團隊以及吉林大學張立軍教授團隊** 在 Nature Communications 雜志上發表了一篇重要研究成果。 該研究團隊通過將 4-甲氧基苯基膦酸 (MPA) 和 2-苯乙基碘化銨 (PEAI) 兩種功能性分子結合， 共同作用于鈣鈦礦材料的界面， 構建了一個 “協同雙分子界面” (SBI) 結構， 顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。

【協同雙分子界面 (SBI) 的妙用： 助力鈣鈦礦太陽能電池效率提升與穩定性增強】

l  精準調控： 該研究團隊使用了一種全新的協同雙分子界面 (SBI) 工程策略， 通過 MPA 和 PEAI 兩種分子的協同作用， 來優化鈣鈦礦太陽能電池的界面特性。

l  協同機制:

2  MPA 分子 通過與鈣鈦礦材料表面形成牢固的 P-O-Pb 共價鍵， 有效減少表面缺陷的密度， 同時將表面費米能級向上移動， 從而抑制了載流子的復合。

2  PEAI 分子 在鈣鈦礦材料表面形成負偶極層， 進一步提高鈣鈦礦的 n 型特性， 促進電子從界面高效提取。

這種協同的表面改性策略不僅通過增強缺陷鈍化， 同時也改善了鈣鈦礦太陽能電池的能量級， 顯著降低了界面非輻射復合率。

【效率與穩定性顯著提升： 未來可期】

SBI 結構改性后的反式鈣鈦礦太陽能電池， 實現了高效率。 在標準測試條件下， 該器件的穩定狀態光電轉換效率達到了驚人的 25.53%， 并獲得了 25.05% 的認證效率。 同時， 該器件展現了優異的穩定性， 未封裝的器件在 60% 的相對濕度下， 放置在空氣中 1000 小時后， 仍然保持了 91% 的初始效率， 并在 35°C 條件下進行最大功率點跟蹤測試（MPP）500 小時后， 效率依然保持 95%。

為了更精確地研究鈣鈦礦材料的光電轉換效率， 該團隊還使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 和 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器， 分別用于測量電池在不同光譜范圍內的外量子效率 (EQE) 和模擬真實陽光照射條件。 **

開拓新路徑， 推動鈣鈦礦太陽能電池技術進步

這項研究成果表明， 協同雙分子界面工程能夠有效地改善鈣鈦礦太陽能電池的界面性質， 進而提高電池效率和穩定性。 該研究為高性能、 長壽命鈣鈦礦太陽能電池的研發指明了新的方向。 它不僅在材料科學領域具有重大意義， 也為鈣鈦礦太陽能技術的商業化應用帶來了更強大的推動力。

林雪平大學高峰教授團隊利用協同雙分子界面工程策略， 顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性， 并且成功降低了非輻射復合引起的 Voc 損失， 取得了重大突破。 這一成果將推動鈣鈦礦太陽能電池技術朝著更高效率、更穩定方向發展， 為未來清潔能源的廣泛應用開辟了新的路徑。

重要技術參數：

鈣鈦礦太陽能電池效率: 25.53%（穩定狀態）

穩定性: 在空氣中 (60% 濕度) 儲存 1000 小時后， 保持了 91% 的初始效率； 在 35 °C 條件下進行 MPP 跟蹤測試 500 小時后， 效率依然保持 95%

關鍵技術: 協同雙分子界面 (SBI)

關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器

參考文獻

Reducing nonradiative recombination for highly efficient inverted perovskite solar cells via a synergistic bimolecular interface_ Nature Communications 5607 (2024) _ DOI: 10.1038/s41467-024-50019-3

【本研究參數圖】

Fig 4. a 控制器件、MPA和SBI基器件的J-V曲線。b EQE光譜和集成電流密度。c SBI基器件在最大功率點（MPP）處的穩定輸出功率。d 從控制器件、MPA和SBI基器件獲得的Voc和FF統計數據。e 器件在不同電流密度下以發光二極管（LED）模式運行的EQEEL值。f 最近關于p-i-n PSCs的?Voc, nonrad值報告。詳細的g 器件Voc損失分析和h FF損失分析。i 在環境空氣中以55±5°C老化的未封裝控制器件和SBI基器件的穩定性。插圖表示連續MPP追蹤（在氮氣氣氛中）。

Fig 3. a PL光譜。b 控制和SBI改性鈣鈦礦薄膜的歸一化TRPL壽命和PLQY。c 具有ETL和不具有ETL的控制和SBI改性鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜。比較(d) 控制和(e) SBI改性鈣鈦礦薄膜在具有ETL情況下的fs-TA 2D偽彩色圖。f 具有ETL情況下控制和SBI改性鈣鈦礦薄膜在770 nm的對應GSB衰減。

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文獻參考自 Nature Communications 5607 (2024)  _ DOI: 10.1038/s41467-024-50019-3  

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