纳光电子前沿科学中心朱瑞教授、赵丽宸特聘副研究员和龚旗煌院士团队在钙钛矿太阳能电池埋底界面研究中取得重要进展：通过创新调控埋底界面改性分子与两侧功能层成键关系，有效地抑制了界面分子向钙钛矿层的不可控插入，最终实现了钙钛矿太阳能电池光电转换效率与稳定性的显著提升。2024年9月16日，相关研究成果以“协调钙钛矿太阳能电池界面分子两侧成键强度”（Harmonizing the bilateral bond strength of the interfacial molecule in perovskite solar cells）为题，在线发表于《自然能源》（Nature Energy）。
钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏技术，具有高效率、低成本及易于制造的优势，有望为“双碳”目标的实现提供可行的技术选择。在基底与钙钛矿层之间的埋底界面是钙钛矿太阳能电池中的缺陷富集区域，这一区域的优化调控对钙钛矿太阳能电池的性能提升至关重要，近年来吸引了越来越多的研究和关注。通常，在电池埋底界面处引入一层界面分子，可有效调控和改善埋底界面，提高电池光电转换性能。为发挥优化调控作用，界面分子需能够与钙钛矿成分发生强的相互作用/反应。然而，过强的相互作用/反应可能导致一系列问题，例如，在钙钛矿成膜过程中或电池长期运行期间，强相互作用的界面分子可能会不可控地插入到钙钛矿层中，最终引起电池性能的下降。
为解决这一关键问题，研究团队创新提出了一种界面分子双侧竞争策略，巧妙地利用界面分子与两侧功能层相互作用的竞争关系，来实现埋底界面的优化调控。以正式结构钙钛矿太阳能电池为例，研究团队选取2,2'-氧双(乙胺)（BAE）作为界面分子，并将其引入到底部金属氧化物电子传输层和钙钛矿层之间的埋底界面处。通过对电子传输层进行碳酸锂掺杂来调控其电子结构，以此增强其与界面分子之间的键合；相应地，界面分子与另一侧钙钛矿层之间的键合则随即减弱，从而显著抑制了界面分子向钙钛矿层中的不可控插入（图1）。
图1. 不同处理策略所制备的钙钛矿太阳能电池：（a）背面光学照片；（b）截面扫描电镜照片；（c）界面分子与钙钛矿或金属氧化物电荷传输层的结合能（理论计算）。
该策略通过协调界面分子与两侧功能层的键合强度，使界面分子最大程度地发挥调控作用，同时又缓解了界面分子对钙钛矿层的侵入和破坏。最终将钙钛矿太阳能电池的光电转换效率显著提升至26.5%以上（中国计量院认证值为26.31%），电池的迟滞效应也得到了明显改善。此外，研究团队也发现这一策略可以有效地稳定FAPbI3的光活性相，从而大大提升了钙钛矿太阳能电池在湿、热和光老化条件下的稳定性（图2）。
该工作为正式结构钙钛矿太阳能电池埋底界面的优化调控研究提供了新的指导策略，也将为其他类型钙钛矿太阳能电池的界面调制提供重要参考。
图2. 器件光伏性能：（a）最优器件的J-V曲线；（b）最优器件的最大功率点稳态输出；（c）大面积最优器件的J-V曲线；（d）器件的湿度稳定性；（e）器件运行稳定性。
北京大学物理学院现代光学研究所2020级博士研究生李秋阳、中科院上海微系统与信息技术研究所刘宏博士为该论文的共同第一作者，朱瑞、赵丽宸为论文的共同通讯作者。主要合作者还包括中国科学院上海微系统与信息技术研究所唐鹏翼研究员、北京大学贾爽教授、台湾中研院薛景中教授、侯政宏博士和余玟仪、上海科技大学杨波教授等。
该工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、北京市科技新星计划、云南省西南联合研究生院科技项目、松山湖材料实验室开放课题、中国博士后科学基金、中国科学院“百人计划”B类、北京大学必和必拓“碳与气候”博士研究生未名学者奖学金项目、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、山西大学极端光学协同创新中心等支持。
论文原文链接
https://www.nature.com/articles/s41560-024-01642-3
