近日，中國科學技術(shù)大學楊上峰教授團隊在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得重要進展，傳統(tǒng)（n-i-p）結(jié)構(gòu)的單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率（第三方機構(gòu)認證效率為25.8%），為目前n-i-p結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池中最高效率之一。相關(guān)研究成果以“Bifunctional ligand-induced preferred crystal orientation enables highly efficient perovskite solar cells”為題發(fā)表于國際著名學術(shù)期刊《焦耳》（Joule）(Joule2024, 10.1016/j.joule.2024.07.009)。
鈣鈦礦太陽能電池是以有機-無機雜化鈣鈦礦材料作為吸光層的第三代太陽能電池，具有高效、低成本和可溶液加工等特點，受到了科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。鈣鈦礦的結(jié)晶取向已被證明是決定鈣鈦礦太陽能電池器件效率的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)文獻中的報道，鈣鈦礦的不同晶面具有不同的化學、物理和光電特性，不同晶面產(chǎn)生的光電流大小為(100)>(111)>(110)，而且(100)和(111)晶面比(110)晶面表現(xiàn)出更高的載流子遷移率，這是由于(100)和(111)晶面具有較高的介電常數(shù)，導致激子結(jié)合能較低，有利于自由載流子的產(chǎn)生。另一方面，影響n-i-p結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池器件性能的另一個關(guān)鍵因素為鈣鈦礦/氧化錫層的埋底界面，該界面存在的缺陷會造成額外的非輻射復合損失，從而降低光電轉(zhuǎn)換效率。在以往的研究中，同時實現(xiàn)擇優(yōu)結(jié)晶取向和良好埋底界面的策略主要依賴于引入額外的界面鈍化層，但這增加了器件制備的復雜程度。由此帶來的科學問題是：在不引入額外的界面鈍化層的前提下，是否有更為簡便的方法同時實現(xiàn)擇優(yōu)結(jié)晶取向和良好埋底界面？
針對上述問題，研究團隊發(fā)展了一種簡便有效的方法，通過在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中添加雙功能配體2-(甲基硫代)鹽酸乙胺（簡稱為METEAM)，不僅誘導（100）取向的鈣鈦礦薄膜結(jié)晶生長，同時改善了鈣鈦礦/氧化錫層的埋底界面。METEAM分子通過與鈣鈦礦晶格的強相互作用，優(yōu)先吸附在鈣鈦礦的（100）晶面上，從而降低了（100）晶面的形成能，獲得了（100）擇優(yōu)晶面取向的鈣鈦礦薄膜。同時，METEAM分子可以自發(fā)地聚集在鈣鈦礦/氧化錫層的埋底界面，作為鈣鈦礦和氧化錫電子傳遞層之間的橋梁，從而雙向鈍化鈣鈦礦和氧化錫層的缺陷。值得一提的是，此前文獻中的報道的大部分添加劑僅具有單一功能（如調(diào)控鈣鈦礦晶體的成核和生長），而METEAM添加劑的雙功能來自于其“頭部”的胺陽離子（-NH3+）和“尾部”的硫甲基（-SCH3），分別與鈣鈦礦中的鉛離子和氧化錫中的錫離子發(fā)生配位作用。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過METEAM處理后，鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出更低的陷阱態(tài)密度、更長的載流子壽命和更高的載流子遷移率，相應(yīng)的單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率高達26.1%，第三方機構(gòu)認證效率也高達25.8%（該認證效率早在2022年1月即獲得，為同期世界記錄值）。同時，由于鈣鈦礦薄膜的陷阱態(tài)密度降低，器件的光照穩(wěn)定性也得到了顯著的提升。該策略為提高鈣鈦礦太陽能電池的綜合性能提供了新的思路。
圖注：(a) METEM分子通過與鈣鈦礦層和氧化錫層同時作用，誘導鈣鈦礦沿（100）晶面擇優(yōu)取向生長示意圖。(b)METEAM摻雜前（control）、后（target）的鈣鈦礦薄膜（100）和（111）晶面強度比值。(c)METEAM摻雜前后鈣鈦礦太陽能電池J-V曲線。
該論文的共同第一作者為中國科學技術(shù)大學已畢業(yè)博士李行成和博士研究生高爽，通訊作者為中國科學技術(shù)大學楊上峰教授、香港城市大學朱宗龍教授和深圳技術(shù)大學肖爽副教授。該項研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院先導專項和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等基金資助。
附文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124003386
（化學與材料科學學院、精準智能化學重點實驗室、能源材料化學協(xié)同創(chuàng)新中心、科研部）
