新闻网讯 全钙钛矿叠层太阳能电池由窄带隙底电池和宽带隙顶电池构成，具有显著降低光学损耗并高效捕获太阳光谱光子的优势，能够突破单结太阳能电池肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser，S-Q）效率理论极限。然而，宽带隙顶电池中存在的界面缺陷诱导的非辐射复合导致的开路电压（VOC）损失问题和电荷传输层/钙钛矿界面能级失配引发的电荷提取效率低下问题，严重制约了叠层电池效率的进一步提升。迄今为止，宽带隙界面工程研究主要集中于钙钛矿薄膜上表面缺陷的钝化。然而，稳定埋底界面同样至关重要，也更具挑战。近期研究表明，调控自组装单分子层（SAMs）/钙钛矿界面是降低反式结构钙钛矿单结太阳能电池（PSCs）界面能量损失的有效策略，但如何在基底上实现SAMs的致密覆盖仍存在挑战。这主要源于自组装分子的两亲特性，其在溶液中易形成胶束，导致沉积过程中出现分子团簇和基底覆盖不全的问题，沉积致密均匀的SAMs对降低VOC损失具有显著作用。通过引入共吸附剂构建混合SAMs是实现致密覆盖的有效方法，但目前对于主自组装分子与共吸附剂之间的相互作用机制尚未得到充分研究。
针对上述问题，武汉光电国家研究中心陈炜、刘宗豪团队提出了一种6-氨基己烷-1-磺酸（SA）/[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz）混合SAMs共吸附策略，以改善宽带隙埋底界面质量，降低器件VOC损失。研究结果表明，SA的引入能够分解Me-4PACz的胶束和团簇，有助于实现更致密的空穴传输层的制备。基于该方法制备的1.77 eV带隙的宽带隙钙钛矿器件实现了20.21%（第三方权威机构认证）的光电转换效率和1.332 V的开路电压（图1）。利用SA/Me-4PACz混合SAMs策略，调控了钙钛矿结晶过程，从而实现晶粒贯穿和更平整的钙钛矿薄膜，减少了非辐射符合损失，获得了更高质量的钙钛矿薄膜（图2）。SA/Me-4PACz混合SAMs策略的应用优化了空穴传输层/钙钛矿层之间的能级排列，提高了载流子的提取速率，减少了薄膜内的缺陷态密度（图3）。将基于该策略制备的宽带隙器件集成到全钙钛矿叠层器件中，获得了28.78%（第三方权威机构认证）的光电转换效率（有效面积为0.087 cm2）。此外，该方法也同样适用于模组器件制备，基于该策略的孔径面积为11.3 cm2的迷你模组获得了23.92%的光电转换效率。并且封装后的叠层电池在大气环境中最大功率点跟踪下连续运行500小时后，仍能够保持其初始效率的87.0%（图4）。上述器件效率与稳定性参数均达到了国际先进水平。
图1：SA的引入促进Me-4PACz的沉积，提升宽带隙器件性能
图2：SA/Me-4PACz混合调控钙钛矿结晶过程，减少非辐射符合损失，提升钙钛矿薄膜质量
图3：SA/Me-4PACz混合优化空穴传输层/钙钛矿能级排列，提高载流子提取速率，降低薄膜缺陷态密度
图4：基于SA/Me-4PACz混合策略的全钙钛矿叠层太阳能电池和组件性能
该论文近期以“Modulating competitive adsorption of hybrid self-assembled molecules for efficient wide-bandgap perovskite solar cells and tandems”为题发表在Nature Communications上。我校石琛洋硕士、王佳楠博士、周琪森博后，南方科技大学雷霞博士、东京大学王伟涛博士为论文的共同第一作者，我校陈炜教授、刘宗豪副教授，深圳职业技术大学李竞白教授为共同通讯作者，我校为第一通讯单位。该研究工作得到了光谷实验室创新计划、科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、华中科技大学自主创新研究基金、湖北省自然科学基金等项目资助。
陈炜、刘宗豪团队致力于反式钙钛矿太阳能电池的基础应用研究。近期最新的反式电池高效率和高稳定性论文也陆续发表在Nature Energy（Nature Energy,2023, 8, 839，第一单位）、Science（Science,2023, 380, 404, 合作单位）、Nature Communications（Nature Communications,2023, 14, 6120, 第一单位）和Nature（Nature,2024, 632, 536-542, 第一单位）。鉴于反式单结电池能够很好地兼容叠层电池，团队也将单结钙钛矿电池研究方法与策略拓展至全钙钛矿叠层太阳能电池研究，并取得了丰富的研究成果。逐步发展了宽带隙钙钛矿相偏析抑制方法（Nano Energy,2024, 128, 109984;Small Methods,2024, 2400067），Sn-Pb钙钛矿Sn2+离子氧化抑制策略（Nano Energy,2023, 118, 108937），Sn-Pb钙钛矿双分子结晶调控策略（Advanced Energy Materials,2024, 2402171），Sn-Pb钙钛矿表面化学抛光和钝化策略（Nature Communications,2024, 15, 7335），宽带隙埋底界面SAMs共吸附策略（Nature Communications,2025,16, 3029）。
