近年來， 鈣鈦礦太陽能電池（PSC） 因其光電轉換效率和低成本， 迅速成為下一代太陽能電池技術的研究熱點。 然而， 鈣鈦礦材料本身存在的界面缺陷、 載流子復合以及環(huán)境穩(wěn)定性等問題， 一直是阻礙鈣鈦礦太陽能電池走向?qū)嵱没闹饕系K。

為了解決這些問題， 科學家們一直在努力尋找新方法， 其中， 改善器件的界面， 減少非輻射復合損失， 提升電池的穩(wěn)定性和效率， 成為了一個重要的研究方向。 鈣鈦礦太陽能電池的結構主要分為兩種： 正式結構 (n-i-p 結構) 和反式結構 (p-i-n 結構)， 兩種結構在材料組成、 加工工藝、 光電性能、 穩(wěn)定性和應用場景等方面各有優(yōu)劣：

l  結構

2  n-i-p 結構: 這種結構的鈣鈦礦太陽能電池采用電子傳輸層 (ETL) 作為底層， 鈣鈦礦活性層位于中間， 空穴傳輸層 (HTL) 在頂層。 n-i-p 結構的典型材料組合是 TiO2 作為電子傳輸層， Spiro-OMeTAD 作為空穴傳輸層。

2  p-i-n 結構: 這種反式結構則是以空穴傳輸層 (HTL) 作為底層， 鈣鈦礦活性層在中間， 電子傳輸層 (ETL) 在頂層。 p-i-n 結構通常采用 PEDOT 作為空穴傳輸層， PCBM 或 C60 作為電子傳輸層。

l  加工工藝

2  n-i-p 結構: 通常需要高溫燒結過程， 特別是 TiO2 電子傳輸層的制備需要高溫處理， 這可能限制了其應用范圍。

2  p-i-n 結構: 通常可以在低溫下加工， 適合制備在柔性基底上， 更加適用于大規(guī)模生產(chǎn)和應用。

l  光電性能

2  n-i-p 結構: 由于其電子傳輸層和空穴傳輸層材料的選擇， 通常具有較高的光電轉換效率， 但可能存在較大的遲滯現(xiàn)象。

2  p-i-n 結構: 在減少遲滯現(xiàn)象方面表現(xiàn)更好， 且在優(yōu)化后， 其光電轉換效率也可以非常高。

l  穩(wěn)定性

2  n-i-p 結構: 可能由于電子傳輸層材料在高溫條件下的穩(wěn)定性， 長期穩(wěn)定性相對較好。

2  p-i-n 結構: 通過優(yōu)化材料和界面， 可以實現(xiàn)較好的長期穩(wěn)定性， 并且在低溫制備條件下， 有助于減少材料的降解。

l  應用場景

2  n-i-p 結構: 由于其需要高溫處理， 通常應用于剛性基底和傳統(tǒng)光伏領域。

2  p-i-n 結構: 適用于柔性電子、 可穿戴設備和建筑一體化等新興領域。

近期， 林雪平大學物理、 化學和生物系高峰教授團隊聯(lián)合華東師范大學保秦燁教授團隊以及吉林大學張立軍教授團隊** 在 Nature Communications 雜志上發(fā)表了一篇重要研究成果。 該研究團隊通過將 4-甲氧基苯基膦酸 (MPA) 和 2-苯乙基碘化銨 (PEAI) 兩種功能性分子結合， 共同作用于鈣鈦礦材料的界面， 構建了一個 “協(xié)同雙分子界面” (SBI) 結構， 顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。

【協(xié)同雙分子界面 (SBI) 的妙用： 助力鈣鈦礦太陽能電池效率提升與穩(wěn)定性增強】

l  精準調(diào)控： 該研究團隊使用了一種全新的協(xié)同雙分子界面 (SBI) 工程策略， 通過 MPA 和 PEAI 兩種分子的協(xié)同作用， 來優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的界面特性。

l  協(xié)同機制:

2  MPA 分子 通過與鈣鈦礦材料表面形成牢固的 P-O-Pb 共價鍵， 有效減少表面缺陷的密度， 同時將表面費米能級向上移動， 從而抑制了載流子的復合。

2  PEAI 分子 在鈣鈦礦材料表面形成負偶極層， 進一步提高鈣鈦礦的 n 型特性， 促進電子從界面高效提取。

這種協(xié)同的表面改性策略不僅通過增強缺陷鈍化， 同時也改善了鈣鈦礦太陽能電池的能量級， 顯著降低了界面非輻射復合率。

【效率與穩(wěn)定性顯著提升： 未來可期】

SBI 結構改性后的反式鈣鈦礦太陽能電池， 實現(xiàn)了高效率。 在標準測試條件下， 該器件的穩(wěn)定狀態(tài)光電轉換效率達到了驚人的 25.53%， 并獲得了 25.05% 的認證效率。 同時， 該器件展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性， 未封裝的器件在 60% 的相對濕度下， 放置在空氣中 1000 小時后， 仍然保持了 91% 的初始效率， 并在 35°C 條件下進行最大功率點跟蹤測試（MPP）500 小時后， 效率依然保持 95%。

為了更精確地研究鈣鈦礦材料的光電轉換效率， 該團隊還使用了光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 和 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器， 分別用于測量電池在不同光譜范圍內(nèi)的外量子效率 (EQE) 和模擬真實陽光照射條件。 **

開拓新路徑， 推動鈣鈦礦太陽能電池技術進步

這項研究成果表明， 協(xié)同雙分子界面工程能夠有效地改善鈣鈦礦太陽能電池的界面性質(zhì)， 進而提高電池效率和穩(wěn)定性。 該研究為高性能、 長壽命鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)指明了新的方向。 它不僅在材料科學領域具有重大意義， 也為鈣鈦礦太陽能技術的商業(yè)化應用帶來了更強大的推動力。

林雪平大學高峰教授團隊利用協(xié)同雙分子界面工程策略， 顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性， 并且成功降低了非輻射復合引起的 Voc 損失， 取得了重大突破。 這一成果將推動鈣鈦礦太陽能電池技術朝著更高效率、更穩(wěn)定方向發(fā)展， 為未來清潔能源的廣泛應用開辟了新的路徑。

重要技術參數(shù)：

鈣鈦礦太陽能電池效率: 25.53%（穩(wěn)定狀態(tài)）

穩(wěn)定性: 在空氣中 (60% 濕度) 儲存 1000 小時后， 保持了 91% 的初始效率； 在 35 °C 條件下進行 MPP 跟蹤測試 500 小時后， 效率依然保持 95%

關鍵技術: 協(xié)同雙分子界面 (SBI)

關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀 以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 等級太陽光模擬器

參考文獻

Reducing nonradiative recombination for highly efficient inverted perovskite solar cells via a synergistic bimolecular interface_ Nature Communications 5607 (2024) _ DOI: 10.1038/s41467-024-50019-3

【本研究參數(shù)圖】

Fig 4. a 控制器件、MPA和SBI基器件的J-V曲線。b EQE光譜和集成電流密度。c SBI基器件在最大功率點（MPP）處的穩(wěn)定輸出功率。d 從控制器件、MPA和SBI基器件獲得的Voc和FF統(tǒng)計數(shù)據(jù)。e 器件在不同電流密度下以發(fā)光二極管（LED）模式運行的EQEEL值。f 最近關于p-i-n PSCs的?Voc, nonrad值報告。詳細的g 器件Voc損失分析和h FF損失分析。i 在環(huán)境空氣中以55±5°C老化的未封裝控制器件和SBI基器件的穩(wěn)定性。插圖表示連續(xù)MPP追蹤（在氮氣氣氛中）。

Fig 3. a PL光譜。b 控制和SBI改性鈣鈦礦薄膜的歸一化TRPL壽命和PLQY。c 具有ETL和不具有ETL的控制和SBI改性鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜。比較(d) 控制和(e) SBI改性鈣鈦礦薄膜在具有ETL情況下的fs-TA 2D偽彩色圖。f 具有ETL情況下控制和SBI改性鈣鈦礦薄膜在770 nm的對應GSB衰減。

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文獻參考自 Nature Communications 5607 (2024)  _ DOI: 10.1038/s41467-024-50019-3  

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