Science发文！上科大宁志军课题组与合作团队：分子“平伏”式钝化策略实现钙钛矿太阳能电池效率世界纪录

时间：2024-04-15浏览：10设置

Editor's Summary

  《科学》杂志副主编

   Phillip Szuromi


“用于钙钛矿表面钝化的配体分子会阻挡电子的传输，这项工作通过双位点结合的对氯苯磺酸分子表面平行贴合式钝化实现了表面电阻最小化，同时降低了钙钛矿和电子传输层之间的能级失配。基于这种方法，反式结构钙钛矿太阳能电池器件的效率达到了24.7%，并且器件在65度下连续工作1200小时后效率保持在95%以上。”


卤素钙钛矿太阳能电池是目前公认最具前景的第三代光伏技术，为太阳能电池产业的变革性发展带来了广阔空间。近年来卤素钙钛矿电池效率不断提升，但距离其理论极限仍有差距，因此如何提高钙钛矿太阳能电池效率是目前产业界和学术界关注的焦点。
针对钙钛矿离子型晶体表面结构易发生解离、进而失去离子产生缺陷的特点，在钙钛矿表面进行分子钝化是防止缺陷产生、提升器件性能的一种重要手段。但是，目前常用的有机钝化分子通常只能与钙钛矿表面单个活性位点相结合，结合能力较弱。此外，单位点钝化分子倾向于垂直紧密堆积在钙钛矿上表面，可能在钙钛矿/电子传输层界面引入传输屏障，影响电荷提取。
4月12日，上海科技大学物质科学与技术学院宁志军团队和美国西北大学Sargent团队通过精准调控钙钛矿表面有机钝化分子的排列，实现了钙钛矿光伏器件效率的新突破，成果在国际学术期刊《科学》(Science)上在线发表。本工作利用双结合位点的4-氯苯磺酸钠（4Cl-BZS）作为钝化分子。4Cl-BZS通过氯原子和磺酸根两个基团分别与钙钛矿表面相邻的铅离子作用，提高了分子和钙钛矿表面的结合能，有效抑制了表面缺陷的产生和钙钛矿上界面的载流子复合。此外双位点结合还可以促使4Cl-BZS分子平行伏贴(“平伏”)在钙钛矿上表面，缩短了钙钛矿与电子传输层(C60)之间的距离，提升了电子传输的效率。


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图1：钝化分子在钙钛矿表面的模拟结构与各种构型的结合能比较。

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图2：钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性表征。

通过将4Cl-BZS分子引入到钙钛矿薄膜中，太阳能电池的光电转换效率得到了显著提升。器件在实验室的最高效率为26.9%。经权威机构Newport认证，0.05 平方厘米和1平方厘米冠军器件分别取得了26.15%和24.74%的准稳态认证效率。该认证结果分别被美国可再生能源实验室（NREL）发布的Best Research-Cell Efficiency Chart 和全球光伏业界权威榜单Solar cell efficiency tables (Version 63) 收录，刷新了单结钙钛矿光伏器件权威认证效率纪录。此外，器件在光照高温（65℃）连续运行1000小时后效率维持在95%以上，表明器件具有极好的稳定性。

本工作表明通过双位点结合的“平伏”分子钝化可以有效降低钙钛矿薄膜缺陷，并提高器件中的电荷提取速度，从而提升器件性能，为钙钛矿表面高效钝化分子的开发以及高性能钙钛矿光伏器件的制备提供了思路，对于钙钛矿太阳能电池的发展具有重要意义，并对后续钙钛矿光伏的产业化具有重要的推动作用。

 上海科技大学宁志军教授和美国西北大学Edward H. Sargent教授、研究助理教授陈斌为论文共同通讯作者。西北大学博士后陈昊、刘成，加拿大多伦多大学博士后徐健、Aidan Maxwell 和上海科技大学2021级硕博连读研究生周炜为论文共同第一作者。


论文标题：

Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm9474

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