近日，材料学院赵德威教授团队报道了宽带隙单结和四端叠层钙钛矿太阳电池方面的最新研究进展，相关成果“Molecular Bridging at Buried Interface Enables Efficient Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells”发表在Advanced Energy Materials。四川大学材料科学与工程学院为本文第一通讯单位，四川大学赵德威教授、曾广根副教授、任胜强副研究员及广西大学黄浩博士为本文通讯作者，我校2022级硕士研究生焦文博及剑桥大学博士研究生宋雅琦为本文共同第一作者。
有机-无机杂化钙钛矿表现出优异的光电特性，使钙钛矿太阳电池在新型光伏技术中前景广阔。单结钙钛矿太阳电池已实现接近27%的光电转换效率（PCE），接近单结太阳电池的理论效率约33%）。通过降低热弛豫损失和提高太阳光谱利用，叠层太阳电池的理论效率可达44%左右。近年来，钙钛矿/晶硅、钙钛矿/钙钛矿（全钙钛矿）等叠层太阳电池取得了长足进步，展现出巨大潜力。宽带隙钙钛矿太阳电池在收集高能光子和为整个叠层器件提供高开路电压（VOC）方面发挥着至关重要的作用。然而，由界面缺陷和非辐射复合所导致的开路电压损失高和相分离严重等问题仍然阻碍着宽带隙钙钛矿太阳电池性能发展。埋底界面的调控对于高性能宽带隙钙钛矿太阳能电池至关重要，它会影响界面缺陷、电荷传输和钙钛矿结晶质量。钙钛矿薄膜的埋底界面通常存在各种带电缺陷，例如配位不足的Pb2+、卤化物空位、阳离子空位和反位缺陷等，由于其位于底部，这些缺陷很容易被忽略。因此，空穴传输层和钙钛矿层之间较差的界面质量可能导致严重的非辐射复合和传输损失，从而降低器件的效率和稳定性。研究者们通过埋底界面工程，不断提高宽带隙钙钛矿电池性能。然而，同时改善界面接触和钝化埋底界面仍面临巨大的挑战。因此，迫切需要通过选择合适的带有功能基团的界面修饰材料来桥接现有的自组装单分子层和钙钛矿层，以增强埋底界面的质量。
图1. 4F-HBM作用机制图；宽带隙单结和四端叠层电池的电流密度-电压曲线；四端叠层电池结构图
在本研究中，团队采用(Z)-4-氟-N'-羟基苯甲酰胺（4F-HBM）作为界面修饰材料，修饰1.77 eV 宽带隙钙钛矿太阳电池的自组装单分子层（SAM）表面并钝化钙钛矿层埋底界面处缺陷。4F-HBM与SAM形成氢键，增强其与基底的结合，其中的-NH3钝化钙钛矿层中未配位的Pb2+，有助于提高钙钛矿质量，降低界面缺陷态密度，并加速界面载流子传输。最终的冠军器件实现了20.09%的效率和84.71%的高填充因子。封装器件在821小时的最大功率点跟踪后仍保持其原始效率的85%，表现出良好的稳定性。结合1.25 eV窄带隙钙钛矿太阳电池，四端全钙钛矿叠层太阳电池实现了28.71%的效率，这是四端全钙钛矿叠层太阳电池的最高效率之一，展示了4F-HBM在叠层器件中的巨大潜力。
本研究得到国家自然科学基金、四川省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、四川大学工科特色团队项目、建设面向南亚东南亚科技创新中心专项、昆明市春城计划高层次人才引进与培养项目等资助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202501556
