鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優異的光電轉換效率和低成本制備，在過去十年間引發了廣泛的研究熱潮，并被認為是最有潛力替代傳統硅太陽能電池的下一代光伏技術之一。近年來，PSCs的效率不斷提升，并不斷刷新著世界紀錄。
南方科技大學許宗祥教授團隊與香港城市大學Alex K.-Y Jen教授團隊合作，近期取得重大突破，成功研發出一種新型自組裝單分子層(SAM)材料，并將其應用于倒置鈣鈦礦太陽能電池，實現了驚人的26.17%的能量轉換效率(PCE)，創下了新的世界紀錄。這一研究成果發表在國際頂尖期刊《Joule》上。
突破的關鍵：自組裝單分子層材料
自組裝單分子層(SAM)材料，在鈣鈦礦太陽能電池中扮演著重要的角色，可以有效地調節電極的功函數，促進電荷的提取和傳輸，提升器件的性能和穩定性。其中在界面修飾上，改善鈣鈦礦層與電極之間的界面接觸質量，有效減少界面缺陷和不連續性;能級對齊，優化電荷的注入和傳輸效率;能抑制離子遷移，在界面上形成緊密的分子排列，限制離子的遷移路徑;減少非輻射復合，在鈣鈦礦層與電極之間形成均勻的復蓋層，減少界面處的非輻射復合損失，有助于提高光電轉換效率;防止濕氣侵入，阻止濕氣和氧氣侵入鈣鈦礦層，從而提高電池的耐候性和長期穩定性。增強機械穩定性，通過分子間的相互作用增強鈣鈦礦層與電極之間的粘附力，提高整個器件的機械穩定性，減少在加工和使用過程中可能出現的分層或裂紋現象。
傳統上，商業化的SAM材料，如Me-4PACz，通常采用靈活的烷基鏈作為連接基團，這會導致分子排列不規則，影響材料的穩定性和電荷傳輸效率。
Me-4PACz（4-苯基胺甲基二磷酸酯）和Me-PhpPACz（苯基化的4-苯基胺甲基二磷酸酯）兩種用于優化鈣鈦礦太陽能電池界面的自組裝單分子層（SAM）材料差異性:
· 分子結構：
Me-4PACz：含有一個簡單的4-苯基胺甲基基團，結構相對簡單。
Me-PhpPACz：在 Me-4PACz 的基礎上進行了苯基化處理，使得分子結構更加復雜，具有更大的分子體積和更復雜的分子間相互作用。
· 表面修飾效果：
Me-4PACz：能夠有效修飾電極表面，但其修飾效果受限于其簡單的分子結構，可能無法充分覆蓋或優化界面。
Me-PhpPACz：由于苯基化處理，能夠提供更好的界面覆蓋和修飾效果，從而進一步優化界面性質。
許宗祥教授團隊與香港城市大學Alex K.-Y Jen教授團隊合作，通過將Me-4PACz中的柔性烷基鏈替換為剛性、共軛的亞苯基環，成功合成了一種新型的SAM材料：Me-PhpPACz。這種結構上的改進，賦予了Me-PhpPACz更加優異的性能：
l 更高的分子密度：由于亞苯基環的剛性結構，Me-PhpPACz分子在基底上排列更加緊密，形成更加致密的薄膜，有效地減少了器件的漏電流，提升了其穩定性。
l 更強的電荷傳輸能力：共軛亞苯基環的引入，增強了分子間的電荷傳輸效率，提高了器件的填充因子，進而提升了其能量轉換效率。
l 更低的功函數：Me-PhpPACz的引入，可以有效調節電極的功函數，促進空穴的提取，提高器件的開路電壓。
突破性的成果
這項研究最終取得了突破性成果：
l 使用Me-PhpPACz材料的倒置鈣鈦礦太陽能電池，能量轉換效率(PCE)達到驚人的26.17%，并獲得NREL認證的穩態效率。
l 器件表現出非凡的長期穩定性，在65°C的環境溫度下，連續運行超過1200小時，仍保持95%的初始效率。
反式鈣鈦礦太陽能電池的近3年研究突破論文
近年來，倒置鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了突破性進展，以下是一些代表性的論文：
2021年： Nature. 25.2% Pseudo-halide anion engineering for α-FAPbI3 perovskite solar cells, PI： J. Y. Kim (UNIST韓國科學技術院)
2022年： Nature Photonics. 23.91% Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多倫多/西北大學)
2023年： Science.24.09% Engineering ligand reactivity enables high-temperature operation of stable perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多倫多/西北大學)
2024年: Science. 26.14% Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands, PI: Edward H. Sargent (多倫多/西北大學)
未來展望
許宗祥教授團隊的突破性研究成果，為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用開辟了新的道路。未來，研究人員將繼續探索更有效的缺陷管理和離子滲透阻擋策略，并結合先進的表征手段和模擬計算，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性，推動該技術走向商業化應用。
Fig. 4. 反式過氧化物太陽能電池的光伏性能(A)器件結構以及經過 10 ps AIMD模擬。
(B）Me-PhpPACz器件的橫截面SEM圖像。
(C）基于Me-4PACz和Me-PhpPACz的PSC的J-V曲線（數據S1.C）。基于Me-PhpPACz），（D）Me-4PACz和基于Me-PhpPACz的PSC以及集成JSC在 AM 1.5G 標準頻譜上的IPCE曲線，（E）器件 FF S-Q 限制，包括電荷傳輸損耗和非輻射損耗；（F）基于Me-4PACz和MePhpPACz的PSC在 0.01-2,000 mA/cm2 范圍內的EQEEL和EL圖像，以及(G)在N2和模擬 1 sun AM 1.5G 光照下跟蹤未冷卻器件的MPP（工作溫度達到 50C G 10C）。溫度為 50C G 10C)
原文出處:joule_DOI
