

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)



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