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、易于與傳統太陽能電池制備疊層器件等優點受到越來越多的關注。但是，反式鈣鈦礦太陽能電池的發展仍然受制于其較低的功率轉換效率（PCE），同時其穩定性和使用壽命仍無法達到國際電工委員會對于商業化光伏器件的認定標準（IEC61215:2016）。因此，開發一種簡單高效的方法以同時提高反式鈣鈦礦電池的PCE和長期穩定性對于加速其商業化進程十分關鍵。

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定性的關鍵因素之一，有效的界面層材料的選擇對于實現高效穩定光伏器件尤為重要。在此前的研究中，有機材料因其靈活性和多功能性被廣泛應用為鈣鈦礦太陽能電池的界面層。但是，有機材料因其較低的導電性和載流子遷移率容易形成界面屏障妨礙載流子傳輸。無機界面層材料因其具有高載流子導電性和穩定性也備受關注，但由于其剛性結構在一定程度上不能很好的與鈣鈦礦表面緊密結合進而形成相互作用。因此，開發出一種同時結合有機和無機材料特點的界面材料是進一步提升反式鈣鈦礦太陽能電池性能和穩定性的新思路。

02【成果掠影】

近日，香港城市大學朱宗龍博士與倫敦帝國理工學院Nicholas J. Long教授聯合設計了一種二茂鐵有機金屬衍生物（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以及長期穩定性。FcTc2中的有機官能團有效地鈍化了鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子引起的缺陷，同時由于二茂鐵基團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，實驗室測試效率達到了反式鈣鈦礦太陽能電池記錄效率25%（認證效率為24.3%）。FcTc2界面修飾后的器件展現了優異的穩定性，在長期光照1500小時后仍維持在初始效率的98%，在濕熱環境下(85℃/85% RH)的穩定性測試通過了IEC61215:2016的國際標準。該研究為鈣鈦礦太陽能電池界面材料設計提供了新的選擇，于2022年4月22日以題為“Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”發表在知名期刊Science上。

03【核心創新點】

1、通過引入FcTc2，其中的有機官能團有效地鈍化了鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子引起的缺陷，同時由于二茂鐵基團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，實驗室測試效率達到了反式鈣鈦礦太陽能電池記錄效率25%（認證效率為24.3%）。

3、FcTc2界面修飾后的器件展現了優異的穩定性，在長期光照運行1500小時后仍維持在初始效率的98%，在濕熱環境下（85℃/85% RH）的穩定性測試通過了IEC61215:2016的國際標準。

04【數據概覽】

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的飛行時間二次離子質譜（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相互作用的分子動力學模擬。

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小時前后結果。

（H）FcTc2穩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FcTc2處理的性能最佳的PSC的最大功率點穩定功率輸出。

（D）30臺有/無FcTc2的設備的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運行的基于FcTc2的PSC的EL光譜。

圖四、鈣鈦礦器件穩定測試 2022 AAAS

（A）在氮氣環境和室溫下，在最大功率點條件下連續1個太陽照射時測量未封裝PSC（有/無FcTc2）的標準化PCE。

（B-C）依據IEC61215:2016標準測量的有/無FcTc2的PSC的標準化PCE。（B）封裝設備在85%相對濕度和85 °C的黑暗中儲存。（C）封裝設備存儲在-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，研究人員報道了一種有機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，同時提高了反式PSC的效率和穩定性。在模擬AM 1.5照明下，在最大功率點連續運行1500小時后，合成設備的功率轉換效率達到25.0%，并保持其初始效率的98%以上。此外，FcTc2功能化設備通過了成熟光伏的國際標準（IEC61215:2016），并在濕熱試驗（85°C和85%相對濕度）下表現出高穩定性。該研究為鈣鈦礦太陽能電池界面材料設計提供了新的方向。

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