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步，PSC的光伏效率已達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。為促進鈣鈦礦太陽能電池的進一步發(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。為進一步嘗試調(diào)整有機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)無機鈣鈦礦晶體的二次生長，從而使鈣鈦礦薄膜的形貌細化，結(jié)晶度提高。上述協(xié)同效應(yīng)使無機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中間層與鈣鈦礦無機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）型強共軛有機中間層結(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 ）