朱宗龙Science：25%！突破反式钙钛矿太阳能电池的极限！

一、【导读】

相比于正式（n-i-p）钙钛矿太阳能电池，反式（p-i-n）钙钛矿太阳能电池凭借更加简便的制造工艺、低温成膜、无明显迟滞、易于与传统太阳能电池制备叠层器件等优点受到越来越多的关注。但是，反式钙钛矿太阳能电池的发展仍然受制于其较低的功率转换效率（PCE），同时其稳定性和使用寿命仍无法达到国际电工委员会对于商业化光伏器件的认定标准（IEC61215:2016）。因此，开发一种简单高效的方法以同时提高反式钙钛矿电池的PCE和长期稳定性对于加速其商业化进程十分关键。

钙钛矿活性层与电荷传输层界面处的缺陷和非理想电荷传输是制约反式钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的关键因素之一，有效的界面层材料的选择对于实现高效稳定光伏器件尤为重要。在此前的研究中，有机材料因其灵活性和多功能性被广泛应用为钙钛矿太阳能电池的界面层。但是，有机材料因其较低的导电性和载流子迁移率容易形成界面屏障妨碍载流子传输。无机界面层材料因其具有高载流子导电性和稳定性也备受关注，但由于其刚性结构在一定程度上不能很好的与钙钛矿表面紧密结合进而形成相互作用。因此，开发出一种同时结合有机和无机材料特点的界面材料是进一步提升反式钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的新思路。

二、【成果掠影】

近日，香港城市大学朱宗龙博士与伦敦帝国理工学院Nicholas J. Long教授联合设计了一种二茂铁有机金属衍生物（FcTc₂）功能化界面层，大幅度地提高了反式钙钛矿太阳能电池的PCE以及长期稳定性。FcTc₂中的有机官能团有效地钝化了钙钛矿表面上未配位的铅离子引起的缺陷，同时由于二茂铁基团的富电子及其可离域的特性极大限度地提高了钙钛矿界面间的电荷传输速度。通过FcTc₂界面修饰后的器件，其开路电压（V_OC）以及填充因子（FF）得到了较大的提升，实验室测试效率达到了反式钙钛矿太阳能电池记录效率25%（认证效率为24.3%）。FcTc₂界面修饰后的器件展现了优异的稳定性，在长期光照1500小时后仍维持在初始效率的98%，在湿热环境下(85℃/85% RH)的稳定性测试通过了IEC61215:2016的国际标准。该研究为钙钛矿太阳能电池界面材料设计提供了新的选择，于2022年4月22日以题为“Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”发表在知名期刊Science上。

三、【核心创新点】

1、通过引入FcTc₂，其中的有机官能团有效地钝化了钙钛矿表面上未配位的铅离子引起的缺陷，同时由于二茂铁基团的富电子及其可离域的特性极大限度地提高了钙钛矿界面间的电荷传输速度。

2、通过FcTc₂界面修饰后的器件，其短路电压（V_OC）以及填充因子（FF）得到了较大的提升，实验室测试效率达到了反式钙钛矿太阳能电池记录效率25%（认证效率为24.3%）。

3、FcTc₂界面修饰后的器件展现了优异的稳定性，在长期光照运行1500小时后仍维持在初始效率的98%，在湿热环境下（85℃/85% RH）的稳定性测试通过了IEC61215:2016的国际标准。

四、【数据概览】

图一、FcTc₂功能化后的钙钛矿薄膜表征 ©2022 AAAS

（A）以FcTc₂为界面功能化材料的反式PSC示意图。

（B）PSC的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）表征。

（C-E）在有和没有FcTc₂的钙钛矿薄膜上Pb、I和N的XPS表征。

（F-H）钙钛矿和FcTc₂相互作用的分子动力学模拟。

图二、钙钛矿薄膜表征©2022 AAAS

（A-B）通过扫描对照和FcTc₂处理的钙钛矿薄膜的KPFM获得表面电位图像。

（C）FcTc₂处理的钙钛矿薄膜以及对照组的TRPL表征。

（D-G）PFIR显微镜在1480 cm^-1的红外频率下（MA⁺离子的C-N伸缩吸收共振）显示对照组和FcTc₂改性钙钛矿薄膜在85℃下照射1000小时前后结果。

（H）FcTc₂稳定表面离子的示意图。

图三、器件性能表征©2022 AAAS

（A）使用和不使用FcTc₂的最佳性能设备的J-V曲线。

（B）有/无FcTc₂的最佳性能器件的EQE光谱和集成电流密度。

（C）经FcTc₂处理的性能最佳的PSC的最大功率点稳定功率输出。

（D）30台有/无FcTc₂的设备的PCE值直方图。

（E）在不同电压下，有/无FcTc₂的的PSC在LED模式下的EQE_EL值。

（F）作为LED运行的基于FcTc₂的PSC的EL光谱。

图四、钙钛矿器件稳定测试©2022 AAAS

（A）在氮气环境和室温下，在最大功率点条件下连续1个太阳照射时测量未封装PSC（有/无FcTc₂）的标准化PCE。

（B-C）依据IEC61215:2016标准测量的有/无FcTc₂的PSC的标准化PCE。（B）封装设备在85%相对湿度和85 °C的黑暗中储存。（C）封装设备存储在-40 °C（停留15分钟）至85 °C（停留15分钟），升温速率为100 °C h^-1.

五、【成果启示】

综上所述，研究人员报道了一种有机金属化合物二茂铁基双噻吩-2-羧酸盐（FcTc₂）对多金属化和卤化物钙钛矿界面的功能化，同时提高了反式PSC的效率和稳定性。在模拟AM 1.5照明下，在最大功率点连续运行1500小时后，合成设备的功率转换效率达到25.0%，并保持其初始效率的98%以上。此外，FcTc₂功能化设备通过了成熟光伏的国际标准（IEC61215:2016），并在湿热试验（85°C和85%相对湿度）下表现出高稳定性。该研究为钙钛矿太阳能电池界面材料设计提供了新的方向。

文献链接：Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells(Science2022,376, 416-420)

本文由赛恩斯供稿。