新聞網訊 6月26日，《自然》（Nature）在線刊發了武漢光電(diàn)國家(jiā)研究中心陳炜、劉宗豪團隊題為(wèi)“Buried interface molecular hybrid for inverted perovskite solar cells”的研究論文。
反式（p-i-n）鈣钛礦太陽能電(diàn)池（perovskite solar cells,PSCs）因其兼顧高(gāo)效率和(hé)穩定性、易于量産和(hé)疊層等優勢，是當前PSCs這一新興光伏技(jì)術(shù)産業化的主流技(jì)術(shù)路線。但(dàn)在學術(shù)研究領域，正式（n-i-p）結構的PSCs的認證效率此前一直處于相對領先的位置，早期研究正式結構電(diàn)池的學者更多(duō)。一直到2023年，得(de)益于自組裝單分子（Self‐assembled monolayers,SAMs）空(kōng)穴選擇層（hole selective layers,HSLs）和(hé)缺陷鈍化策略的發展，反式PSCs的光電(diàn)轉換效率才超過正式PSCs。然而，常用的SAMs，如[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz），其本征導電(diàn)性并不理(lǐ)想，器(qì)件效率對SAM分子的薄膜厚度極為(wèi)敏感。這種分子在基底上(shàng)的自組裝狀态不受控制(zhì)、分子尺度上(shàng)的分布不均會(huì)造成界面電(diàn)荷傳輸損失，并且Me-4PACz對鈣钛礦前驅體(tǐ)溶液的表面浸潤性差，造成大(dà)量埋底界面微小(xiǎo)孔洞和(hé)結晶不理(lǐ)想，從而導緻大(dà)量埋底界面缺陷引發嚴重的界面複合，是限制(zhì)反式PSCs效率進一步取得(de)突破的重要原因。這些(xiē)缺點，尤其是在制(zhì)造大(dà)面積器(qì)件時(shí)将進一步放大(dà)。
圖1.基于第一性原理(lǐ)計(jì)算(suàn)的不同hybridHSLs界面自組裝狀态
NA誘導Me-4PACz實現最佳自組裝成膜
圖2.不同hybridHSLs埋底界面處鈣钛礦微孔形貌和(hé)結晶質量差異
針對上(shàng)述問題，武漢光電(diàn)國家(jiā)研究中心陳炜、劉宗豪團隊創新地提出一種埋底界面自組裝單分子雜化（hybrid）策略，即在高(gāo)性能自組裝單分子Me-4PACz前驅液中引入同樣具有大(dà)π共轭基團且含有對稱多(duō)羧基的三苯胺單體(tǐ)（4,4’,4’’-硝基三苯甲酸（NA））。通(tōng)過對比TA.、BA等共吸附劑，發現NA作(zuò)為(wèi)共吸附劑，其分子結構更有利于增強與Me-4PACz間(jiān)強π-π相互作(zuò)用，能更好的減少(shǎo)Me-4PACz超薄膜在沉積過程中的自聚集效應，誘導Me-4PACz分子在2nm尺度上(shàng)獲得(de)更加均勻的分布（圖1），從而提高(gāo)了鈣钛礦薄膜埋底界面處光生(shēng)載流子的抽取效率。另外，分子動力學模拟結果顯示，Me-4PACz平趴式分布在氧化鎳/鈣钛礦界面，其膦酸基團和(hé)π環均可(kě)以與氧化鎳基底作(zuò)用，且Me-4PACz的π環能夠鈍化Vpb2+深能級陷阱，從而減少(shǎo)界面非輻射複合。不僅如此，多(duō)羧基NA單體(tǐ)的存在使得(de)鈣钛礦溶液在Me-4PACz上(shàng)的潤濕性得(de)到了有效改善，消除了埋底界面處的納米孔隙并釋放了鈣钛礦薄膜壓縮應力，增強了鈣钛礦埋底界面結晶性，這進一步降低(dī)了埋底界面缺陷濃度，且有利于大(dà)面積鈣钛礦薄膜的均勻制(zhì)備（圖2）。
圖3.器(qì)件的權威認證效率超同期效率紀錄
綜上(shàng)，自組裝單分子雜化空(kōng)穴傳輸材料具有超浸潤、納米尺度均勻分布、載流子抽取速度快和(hé)非輻射複合低(dī)等優點，能夠同時(shí)實現埋底界面載流子高(gāo)效輸運和(hé)缺陷鈍化，大(dà)幅提升器(qì)件性能。基于擇優帶隙FA0.95Cs0.05PbI3鈣钛礦的反式PSCs在權威第三方機構（國家(jiā)光伏産業計(jì)量測試中心NPVM）的準穩态認證效率高(gāo)達26.54%（圖3），超過此前同機構認證的進表效率紀錄（26.1%，NPVM）。此外，該新型雜化自組裝單分子材料良好的浸潤性十分有利于制(zhì)備大(dà)面積器(qì)件，在孔徑面積為(wèi)11.1cm2的微型模組中實現了22.74%的認證效率，為(wèi)反式微型模組國際同期最高(gāo)認證效率，證明(míng)了埋底界面自組裝分子雜化策略的可(kě)拓展性及其在大(dà)面積鈣钛礦組件中的巨大(dà)應用前景。共吸附的多(duō)羧基單體(tǐ)增強了埋底界面處鈣钛礦與NiO的鍵合連接，除效率提升外，也同步改善了器(qì)件的穩定性。目前上(shàng)述研究成果已申請(qǐng)中國發明(míng)專利。
我校是該論文的第一完成單位，我校劉三萬博士、陳銳博士、孫振興碩士、深圳職業技(jì)術(shù)大(dà)學霍夫曼先進材料研究院李競白副教授、武漢理(lǐ)工大(dà)學肖文珊博士和(hé)南方科技(jì)大(dà)學章勇助理(lǐ)教授為(wèi)共同第一作(zuò)者。我校陳炜教授、劉宗豪副教授和(hé)韓國成均館大(dà)學Nam-Gyu Park教授為(wèi)共同通(tōng)訊作(zuò)者。該研究工作(zuò)得(de)到了科技(jì)部國家(jiā)重點研發計(jì)劃項目、國家(jiā)自然科學基金、華中科技(jì)大(dà)學自主創新研究基金、湖(hú)北省自然科學基金和(hé)光谷實驗室創新計(jì)劃等項目資助。
陳炜、劉宗豪團隊一直緻力于推動面向應用的反式鈣钛礦太陽能電(diàn)池的研究。曆年來(lái)在大(dà)面積、高(gāo)效率、高(gāo)穩定反式鈣钛礦太陽能電(diàn)池和(hé)模組研究方面取得(de)了豐富的研究成果。除早期的Science（Science,2015，350，944），Nature Energy（Nature Energy，2016，1，16148）論文外，後續發表過多(duō)篇重要論文解決穩定性（Nature Communications,2019，10，1161，第一單位；Nature Communications，2023，14，6120，第一單位）和(hé)大(dà)面積高(gāo)效率模組制(zhì)造瓶頸（Nature Energy，2020，5，596，合作(zuò)單位；Science Advances，2021，7，eabg3749，第一單位）。近期最新的反式電(diàn)池高(gāo)效率論文也陸續發表在Nature（Nature, 2024，10.1038/s41586-024-07723-3, 第一單位）、Science（Science，2023，380，404，合作(zuò)單位）和(hé)Nature Energy（Nature Energy，2023，8，839，第一單位）。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07723-3
