华中大采用分子精准设计实现钙钛矿电池性能突破

　　华中科技大学武汉光电国家研究中心牵头并联合瑞士洛桑联邦理工学院、加拿大多伦多大学和武汉理工大学，系统研究了钙钛矿太阳能电池中光活性层、空穴传输层及器件关键表界面的物化性质及退化机制，并采用多功能分子精准设计策略有效增强了上述核心功能层及界面的电学性能和稳定性，显著提升了钙钛矿电池的光电转化效率和工作寿命，为该类新型光伏技术突破产业化瓶颈提供了卓有成效的解决方案。相关成果于一季度陆续刊登于Science和Nature Energy期刊。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
　　金属卤化物钙钛矿太阳能电池由于其低成本、高光电转化效率等优势，被誉为光伏领域中的颠覆性技术。目前，钙钛矿太阳能电池的认证效率已经达到了25.7%，可以与晶硅电池相媲美。然而，制备出满足于商业化要求的高效、长寿命钙钛矿太阳能组件仍然面临着巨大挑战。其中，钙钛矿太阳能电池中光活性层、空穴传输层及关键表界面的物化特性和电学性能是影响器件性能的核心因素，因此，协同性地研究上述问题对于促进钙钛矿光伏产业的健康发展具有重要的科学价值和现实意义。
　　分子精准设计1：n型富勒烯衍生物和p型自由基聚合物
　　华中科技大学武汉光电国家研究中心联合洛桑联邦联工学院在钙钛矿吸光层和空穴传输层性能改性方面取得了重要突破。研究人员设计了膦酸功能化富勒烯衍生物（CPPA）并作为钙钛矿多晶薄膜的晶界调控分子，该分子可通过氢键、配位键和富勒烯-碘等多种超分子相互作用模式，有效地钝化了卤化铅钙钛矿薄膜的多样化缺陷；通过低温冷冻电子透射瞬态光电谱等先进测试手段，研究人员发现，位于晶界处的非晶态CPPA有利于薄膜中晶体应力的释放，可以有效抑制钙钛矿的分解和PbI2的生成，提高了晶体质量，从而实现了钙钛矿薄膜在光、热、湿和氧等环境老化条件下稳定性的全面提升。
　　空穴传输材料的载流子传输性能及掺杂离子的扩散过程会显著影响钙钛矿器件的光电转换效率及工作稳定性。鉴于此，研究人员设计了一种具有氧化还原活性的自由基聚合物聚(氧化铵盐)（PPO-TEMPO）类氧化还原电对，它可以通过化学氧化的方式高效地对空穴传输材料进行p型掺杂，有效地优化了空穴传输材料的费米能级和电导率；此外，Li+/PPO-TEMPO自由基间的自由基-金属相互作用也可以显著抑制锂离子在空穴传输材料中迁移和聚集，提高了空穴传输层的微纳形貌和电学性能的稳定性。最终，团队所制备的1cm2器件和钙钛矿迷你模组的光电转换效率分别达到了23.5%和21.4%，达到了国际领先水平。经过3265 h的连续光照老化测试之后，电池性能仍能保持初始效率的95.5%，实现了钙钛矿光伏器件使役条件下稳定性的突破。
　　图1. 器件结构和光伏性能
　　以上研究成果1月发表于Science期刊，尤帅博士、曾海鹏博士、刘宇航教授和韩斌博士为共同第一作者，武汉光电国家研究中心李雄教授、荣耀光副教授和瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授为通讯作者。
　　论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8786
　　分子精准设计2：交联聚合物
　　为进一步提高三维钙钛矿薄膜自身的稳定性和电学性能，华中科技大学武汉光电国家研究中心联合武汉理工大学和加拿大多伦多大学，成功构建了交联聚合物多维度双层钙钛矿异质结构，开辟了钙钛矿薄膜吸光层新结构体系。虽然基于二维（2D）或准二维钙钛矿覆盖层修饰三维（3D）钙钛矿活性层的上界面调控策略极大促进了钙钛矿太阳能电池性能的提升，然而，表面2D钙钛矿和体相3D钙钛矿之间的离子扩散过程导致了3D/2D空间结构的退化，限制了器件的长期稳定性。为解决此问题，研究人员将交联聚合物（CLP）沉积到3D钙钛矿层的顶部，然后通过气相辅助两步过程在3D/CLP薄膜上沉积2D钙钛矿层，从而形成独特的3D/CLP/2D钙钛矿异质结构。研究人员还采用原子力-红外（AFM-IR）显微镜和X射线光电子能谱深度剖析测试详细研究了3D/2D钙钛矿异质结构中的离子扩散原理，并证实了CLP对离子扩散的抑制作用。最终，团队所制备的小面积器件和迷你模组的光电转换效率分别达到了21%和~20%，并且经过~5000 h的连续光照老化之后仍能保持初始效率的90%，实现了碳基器件性能的突破。
　　图2. 交联聚合物（CLP）的合成及器件结构
　　以上研究成果于2023年2月发表于Nature Energy期刊，罗龙博士生、曾海鹏博士和王在伟博士为共同第一作者，武汉光电国家研究中心李雄教授、荣耀光副教授，武汉理工大学麦立强教授和加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授为通讯作者。
　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01205-y
　　分子精准设计3：双功能P型半导体分子
　　钙钛矿光吸收层/有机空穴传输层的界面能级失配和界面相容性差等弊端是导致钙钛矿电池光电转化效率降低和稳定性严重不足的关键因素。鉴于此，华中科技大学武汉光电国家研究中心联合瑞士洛桑联邦理工学院，设计了一种同时具有卡唑-三苯胺和苯基碘化铵分子片段的双功能有机半导体小分子CBz-PAI，以调控钙钛矿/空穴传输层界面处的能级结构和的界面缺陷。经研究表明，CBz-PAI既可以充当钙钛矿层/空穴传输层的界面＂粘合剂＂，也可扮演钙钛矿层/空穴传输层之间的空穴＂穿梭器＂，既显著增强了界面接触，也明显降低了钙钛矿的准费米能级分裂（或＂内部＂压降VOC）与器件＂外部＂开路电压VOC之间的差异，进而实现了器件稳定性和光电转换效率的协同提升。最终，团队获得了24.7%的稳态效率，并且在双85（85  和85%的相对湿度）湿热测试条件下或者连续光照条件下分别老化1000 h和1100 h之后，仍然可以保持初始效率的92.3%和94.6%，展现了优异的光电性能及长期稳定性，极大地推动了钙钛矿光伏技术的发展。
　　图3. CBz-PAI分子结构及器件光伏性能
　　以上研究成果在3月被Nature Energy期刊接收，尤帅博士、Felix T. Eickemeyer博士为共同第一作者，武汉光电国家研究中心李雄教授、瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授和沈重金教授同为通讯作者。
　　总之，协同性的分子工程策略有望系统性地解决钙钛矿太阳能电池产业化所面临的效率瓶颈及稳定性不足等问题，厘清分子-材料-表界面-器件性能间的构效关系，为钙钛矿太阳能电池产业化的稳步推进提供科学指导和技术策略。
　　【来源：武汉光电国家研究中心】