协同双分子界面突破反式钙钛矿太阳能电池25.53%转换效率

近年来， 钙钛矿太阳能电池（PSC） 因其光电转换效率和低成本， 迅速成为下一代太阳能电池技术的研究热点。 然而， 钙钛矿材料本身存在的界面缺陷、 载流子复合以及环境稳定性等问题， 一直是阻碍钙钛矿太阳能电池走向实用化的主要障碍。

为了解决这些问题， 科学家们一直在努力寻找新方法， 其中， 改善器件的界面， 减少非辐射复合损失， 提升电池的稳定性和效率， 成为了一个重要的研究方向。 钙钛矿太阳能电池的结构主要分为两种： 正式结构 (n-i-p 结构) 和反式结构 (p-i-n 结构)， 两种结构在材料组成、 加工工艺、 光电性能、 稳定性和应用场景等方面各有优劣：

l  结构

2  n-i-p 结构: 这种结构的钙钛矿太阳能电池采用电子传输层 (ETL) 作为底层， 钙钛矿活性层位于中间， 空穴传输层 (HTL) 在顶层。 n-i-p 结构的典型材料组合是 TiO2 作为电子传输层， Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层。

2  p-i-n 结构: 这种反式结构则是以空穴传输层 (HTL) 作为底层， 钙钛矿活性层在中间， 电子传输层 (ETL) 在顶层。 p-i-n 结构通常采用 PEDOT 作为空穴传输层， PCBM 或 C60 作为电子传输层。

l  加工工艺

2  n-i-p 结构: 通常需要高温烧结过程， 特别是 TiO2 电子传输层的制备需要高温处理， 这可能限制了其应用范围。

2  p-i-n 结构: 通常可以在低温下加工， 适合制备在柔性基底上， 更加适用于大规模生产和应用。

l  光电性能

2  n-i-p 结构: 由于其电子传输层和空穴传输层材料的选择， 通常具有较高的光电转换效率， 但可能存在较大的迟滞现象。

2  p-i-n 结构: 在减少迟滞现象方面表现更好， 且在优化后， 其光电转换效率也可以非常高。

l  稳定性

2  n-i-p 结构: 可能由于电子传输层材料在高温条件下的稳定性， 长期稳定性相对较好。

2  p-i-n 结构: 通过优化材料和界面， 可以实现较好的长期稳定性， 并且在低温制备条件下， 有助于减少材料的降解。

l  应用场景

2  n-i-p 结构: 由于其需要高温处理， 通常应用于刚性基底和传统光伏领域。

2  p-i-n 结构: 适用于柔性电子、 可穿戴设备和建筑一体化等新兴领域。

近期， 林雪平大学物理、 化学和生物系高峰教授团队联合华东师范大学保秦烨教授团队以及吉林大学张立军教授团队** 在 Nature Communications 杂志上发表了一篇重要研究成果。 该研究团队通过将 4-甲氧基苯基膦酸 (MPA) 和 2-苯乙基碘化铵 (PEAI) 两种功能性分子结合， 共同作用于钙钛矿材料的界面， 构建了一个 “协同双分子界面" (SBI) 结构， 显著提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。

【协同双分子界面 (SBI) 的妙用： 助力钙钛矿太阳能电池效率提升与稳定性增强】

l  精准调控： 该研究团队使用了一种全新的协同双分子界面 (SBI) 工程策略， 通过 MPA 和 PEAI 两种分子的协同作用， 来优化钙钛矿太阳能电池的界面特性。

l  协同机制:

2  MPA 分子 通过与钙钛矿材料表面形成牢固的 P-O-Pb 共价键， 有效减少表面缺陷的密度， 同时将表面费米能级向上移动， 从而抑制了载流子的复合。

2  PEAI 分子 在钙钛矿材料表面形成负偶极层， 进一步提高钙钛矿的 n 型特性， 促进电子从界面高效提取。

这种协同的表面改性策略不仅通过增强缺陷钝化， 同时也改善了钙钛矿太阳能电池的能量级， 显着降低了界面非辐射复合率。

【效率与稳定性显着提升： 未来可期】

SBI 结构改性后的反式钙钛矿太阳能电池， 实现了高效率。 在标准测试条件下， 该器件的稳定状态光电转换效率达到了惊人的 25.53%， 并获得了 25.05% 的认证效率。 同时， 该器件展现了优异的稳定性， 未封装的器件在 60% 的相对湿度下， 放置在空气中 1000 小时后， 仍然保持了 91% 的初始效率， 并在 35°C 条件下进行最大功率点跟踪测试（MPP）500 小时后， 效率依然保持 95%。

为了更精确地研究钙钛矿材料的光电转换效率， 该团队还使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪 和 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等级太阳光模拟器， 分别用于测量电池在不同光谱范围内的外量子效率 (EQE) 和模拟真实阳光照射条件。 **

开拓新路径， 推动钙钛矿太阳能电池技术进步

这项研究成果表明， 协同双分子界面工程能够有效地改善钙钛矿太阳能电池的界面性质， 进而提高电池效率和稳定性。 该研究为高性能、 长寿命钙钛矿太阳能电池的研发指明了新的方向。 它不仅在材料科学领域具有重大意义， 也为钙钛矿太阳能技术的商业化应用带来了更强大的推动力。

林雪平大学高峰教授团队利用协同双分子界面工程策略， 显着提升了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性， 并且成功降低了非辐射复合引起的 Voc 损失， 取得了重大突破。 这一成果将推动钙钛矿太阳能电池技术朝着更高效率、更稳定方向发展， 为未来清洁能源的广泛应用开辟了新的路径。

重要技术参数：

钙钛矿太阳能电池效率: 25.53%（稳定状态）

稳定性: 在空气中 (60% 湿度) 储存 1000 小时后， 保持了 91% 的初始效率； 在 35 °C 条件下进行 MPP 跟踪测试 500 小时后， 效率依然保持 95%

关键技术: 协同双分子界面 (SBI)

关键设备: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等级太阳光模拟器

参考文献

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

【本研究参数图】

Fig 4. a 控制器件、MPA和SBI基器件的J-V曲线。b EQE光谱和集成电流密度。c SBI基器件在最大功率点（MPP）处的稳定输出功率。d 从控制器件、MPA和SBI基器件获得的Voc和FF统计数据。e 器件在不同电流密度下以发光二极管（LED）模式运行的EQEEL值。f 最近关于p-i-n PSCs的?Voc, nonrad值报告。详细的g 器件Voc损失分析和h FF损失分析。i 在环境空气中以55±5°C老化的未封装控制器件和SBI基器件的稳定性。插图表示连续MPP追踪（在氮气气氛中）。

Fig 3. a PL光谱。b 控制和SBI改性钙钛矿薄膜的归一化TRPL寿命和PLQY。c 具有ETL和不具有ETL的控制和SBI改性钙钛矿薄膜的TRPL光谱。比较(d) 控制和(e) SBI改性钙钛矿薄膜在具有ETL情况下的fs-TA 2D伪彩色图。f 具有ETL情况下控制和SBI改性钙钛矿薄膜在770 nm的对应GSB衰减。

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文献参考自 Nature Communications 5607 (2024)  _ DOI: 10.1038/s41467-024-50019-3  

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