近年來，鈣鈦礦型太陽能電池（PSCs）以其優(yōu)異的光電特性和低廉的生產(chǎn)成本在光伏領(lǐng)域得到發(fā)展。隨著器件結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、電荷傳輸層等方面的進(jìn)步，PSC的光伏效率已達(dá)25.7%，可與成熟開發(fā)的薄膜和硅基太陽能電池相媲美。但是，鈣鈦礦電池在空氣中的長時間穩(wěn)定性問題和層與層之間的表面缺陷限制了鈣鈦礦電池的商業(yè)化。為促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義與副研究員劉暢等人通過界面工程（Adv. Energy Mater. 2021, 11, 39; Infomat 2021, 3, 1431）和新型二維材料設(shè)計（Nano Energy 2022, 93, 106800）等手段，大幅提升了鈣鈦礦光伏器件效率和穩(wěn)定性。
SnO2表面的氧空位和陷阱態(tài)是制約器件效率的重要因素，對此，科研人員創(chuàng)新性地提出了具有高結(jié)構(gòu)靈活性的n型共軛小分子鈍化SnO2表面缺陷，以實現(xiàn)高質(zhì)量成膜和有序分子堆積，從而提高SnO2表面的鈍化效果。為進(jìn)一步嘗試調(diào)整有機(jī)鈍化劑的聚集和分子堆積，并深入研究它們與SnO2/鈣鈦礦界面處電荷傳輸/重組動力學(xué)的相關(guān)性，科研人員通過側(cè)鏈工程設(shè)計出Y系列衍生物（BTAC4）。4-苯基丁基連接在苯并三唑核上，作為增加空間位阻并進(jìn)一步降低自聚集程度的一種手段可提高小分子的成膜能力。此外，與支鏈烷基側(cè)鏈相比，線性側(cè)鏈可能導(dǎo)致主鏈緊密堆積。通過平行研究SnO2/Y6/鈣鈦礦和SnO2/BTAC4/鈣鈦礦界面的光電特性，研究發(fā)現(xiàn)小分子更緊湊和規(guī)則的堆疊產(chǎn)生了更有利的界面特性、較低的陷阱態(tài)、更高的電子傳導(dǎo)/提取效率，并抑制電荷復(fù)合?；贐TAC4有機(jī)鈍化劑的PSC實現(xiàn)了超過23%的優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換效率，以及1.252V的高開路電壓，是迄今為止基于CsFAMA鈣鈦礦體系報告的最高開路電壓值。未封裝的器件在35%濕度下儲存768小時后仍保持90%的初始功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），具有出色的穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以π-Conjugated Small Molecules Modified SnO2 Layer for Perovskite Solar Cells with over 23% Efficiency為題，發(fā)表在Advanced Energy Materials上（DOI: 10.1002/aenm.202101416）。
CsPbI2Br的帶隙可以通過改變Br/I比進(jìn)行微調(diào)，因此成為構(gòu)建串聯(lián)太陽能電池的理想選擇。然而，在潮濕環(huán)境下，無機(jī)PSC的發(fā)展仍然面臨相穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。已有報告揭示，水分暴露易觸發(fā)CsPbI1-xBrx從光活性α相到黃色δ相的相變，因為水分導(dǎo)致共角八面體[PbI6]4-的畸變，并增加鈣鈦礦晶粒之間的缺陷誘導(dǎo)局部應(yīng)力。對此，科研人員設(shè)計出一種共軛p型小分子與無機(jī)鈣鈦礦表面相互作用，對器件性能產(chǎn)生了雙重作用。一方面，來自小分子O和S的孤對電子可以與來自鈣鈦礦的未配位Pb形成共價鍵，大幅降低陷阱態(tài)，并在鈣鈦礦晶粒處釋放缺陷誘導(dǎo)的微應(yīng)變。另一方面，在小分子的退火過程中，它可以誘導(dǎo)無機(jī)鈣鈦礦晶體的二次生長，從而使鈣鈦礦薄膜的形貌細(xì)化，結(jié)晶度提高。上述協(xié)同效應(yīng)使無機(jī)鈣鈦礦薄膜在潮濕條件下具有更高的相穩(wěn)定性。因此，經(jīng)小分子處理的基于CsPbI2Br的PSC實現(xiàn)了16.25%的PCE，可與迄今為止最先進(jìn)的CsPbI2Br鈣鈦礦器件媲美。此外，該裝置在室溫（相對濕度為25%）下老化500小時，仍可保持80%的初始PCE，表現(xiàn)出優(yōu)異的水分穩(wěn)定性。該工作以Improved phase stability of CsPbI2Br perovskite by released microstrain towards highly efficient and stable solar cells為題，在線發(fā)表在InfoMat上（DOI: 10.1002/inf2.12246）。
傳統(tǒng)3D鈣鈦礦在濕氣環(huán)境中極易分解，因而限制了光伏器件的實際應(yīng)用。二維鈣鈦礦較三維材料具有優(yōu)異的濕度及光照穩(wěn)定性，近幾年被廣泛研究。然而，二維鈣鈦礦絕緣有機(jī)中間層與鈣鈦礦無機(jī)層間具有差異較大的介電常數(shù)，導(dǎo)致材料激子結(jié)合能大、載流子傳輸受阻，使2D鈣鈦礦器件光伏性能遠(yuǎn)低于3D器件。為從材料上克服上述缺陷，科研人員創(chuàng)新性地設(shè)計出一種D-A-D（D：電子給體；A：電子受體）型強(qiáng)共軛有機(jī)中間層結(jié)構(gòu)，通過D、A間內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)降低有機(jī)中間層能帶帶隙，弱化量子阱限域效應(yīng)，使2D鈣鈦礦的光電性能與3D結(jié)構(gòu)相似，有助于提高激子分離與載流子傳輸性能，實現(xiàn)2D鈣鈦礦器件效率超18%，是目前低維（n≤4）鈣鈦礦器件的最高效率之一，并且器件在濕氣環(huán)境中老化1000小時衰減小于5%，表現(xiàn)出優(yōu)異的濕度穩(wěn)定性。科研人員解決了2D鈣鈦礦存在的本征光電性能缺陷，并拓寬了2D鈣鈦礦材料的設(shè)計范圍。相關(guān)研究成果以Donor-Acceptor-Donor Type Organic Spacer for Regulating the Quantum Wells of Dion-Jacobson 2D Perovskites為題，發(fā)表在Nano Energy上(DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106800)。
上述研究工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃等的支持。
鈣鈦礦光伏器件性能優(yōu)化手段
（來源：寧波材料技術(shù)與工程研究所 ）