華東理工大學首篇Science：倒置鈣鈦礦電池25.4%效率！兩親性多空穴傳輸策略

一、【導讀】

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCE）已超過25%，接近最先進的晶體硅太陽能電池的PCE，但其性能和穩定性的進一步提升需要對鈣鈦礦吸收層和電荷傳輸層之間的界面進行定制。對鈣鈦礦膜的頂表面及其與電荷傳輸層的界面的深入研究，已經改善了常規（n-i-p）和倒置（p-i-n）結構的PSCs的PCE。在倒置的PSCs中，鈣鈦礦吸收層沉積在空穴傳輸層（HTL）上，其對鈣鈦礦成核和異質結形成至關重要。因此，倒置鈣鈦礦太陽能電池中使用的許多空穴傳輸材料要么過于疏水，無法潤濕鈣鈦礦前體，要么會與鈣鈦礦發生反應，從而導致這些層之間的掩埋界面產生限制性能的缺陷。

?二、【成果掠影】

近日，華東理工大學吳永真教授、朱為宏教授、德國波茨坦大學Martin Stolterfoht教授、吉林大學張立軍教授和華中科技大學陳煒教授等人聯合報道了一種具有親水性氰基乙烯基膦酸(CPA)錨定基團和疏水性芳基胺基空穴提取基團(MPA-CPA)的兩親性分子空穴轉運體，通過潤濕和鈍化增強鈣鈦礦沉積，從而最大限度地減少了埋藏的界面缺陷。實驗結果顯示，所得鈣鈦礦薄膜的PLQY為17%，Shockley-Read-Hall壽命接近7微秒，并在1.21V的V_OC和84.7%的FF下實現了25.4%的認證功率轉換效率（PCE）。此外，1 cm²和10 cm²微型模塊的PCE分別為23.4%和22.0%。更加重要的是，封裝模塊在操作和濕熱測試條件下均表現出高穩定性。相關研究成果以“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells”為題發表在國際知名期刊Science上。

據了解，2022年4月6日，華東理工大學朱為宏教授、田禾院士研究團隊和英國利物浦大學Andrew Cooper教授團隊合作，以華東理工大學為第一通訊單位首次在Nature發文，提出了基于動態化學“重構共價有機框架（Reconstructed COF, RC-COF）”的全新概念。

三、【數據概覽】

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圖1? 具有超潤濕特性的兩親性分子空穴傳輸體有助于沉積高質量的鈣鈦礦膜 ? 2023 AAAS

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圖2 ?掩埋界面的形態特征 ? 2023 AAAS

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圖3 ?MPA-CPA中氰基對典型鈣鈦礦表面缺陷鈍化作用的第一性原理模擬 ? 2023 AAAS

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圖4 ?PSCs的光伏性能 ? 2023 AAAS

四、【成果啟示】

綜上所述，本文解決了如何通過開發兩親性分子空穴傳輸體來控制倒置PSCs的隱埋界面處的缺陷這一長期存在的問題。MPA-CPA分子不僅在ITO襯底上形成了高效的空穴選擇性SAM，而且還通過提供超潤濕底層增強了鈣鈦礦沉積。由于氰基和膦酸基團與鉛離子的協同配位作用，設計的CPA基團表現出改善的親水性和缺陷鈍化能力。同時，兩親性襯底設計策略對于其他基于鈣鈦礦的光電器件具有普適性。未來的研究將集中在管理鈣鈦礦-ETL界面處的非輻射復合和能量排列，以進一步提升MPA-CPA/鈣鈦礦的效率。

原文詳情：Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells (Science, 2023, 380, 404-409)

本文由賽恩斯供稿。