华东理工大学首篇Science：倒置钙钛矿电池25.4%效率！两亲性多空穴传输策略

一、【导读】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）已超过25%，接近最先进的晶体硅太阳能电池的PCE，但其性能和稳定性的进一步提升需要对钙钛矿吸收层和电荷传输层之间的界面进行定制。对钙钛矿膜的顶表面及其与电荷传输层的界面的深入研究，已经改善了常规（n-i-p）和倒置（p-i-n）结构的PSCs的PCE。在倒置的PSCs中，钙钛矿吸收层沉积在空穴传输层（HTL）上，其对钙钛矿成核和异质结形成至关重要。因此，倒置钙钛矿太阳能电池中使用的许多空穴传输材料要么过于疏水，无法润湿钙钛矿前体，要么会与钙钛矿发生反应，从而导致这些层之间的掩埋界面产生限制性能的缺陷。

 二、【成果掠影】

近日，华东理工大学吴永真教授、朱为宏教授、德国波茨坦大学Martin Stolterfoht教授、吉林大学张立军教授和华中科技大学陈炜教授等人联合报道了一种具有亲水性氰基乙烯基膦酸(CPA)锚定基团和疏水性芳基胺基空穴提取基团(MPA-CPA)的两亲性分子空穴转运体，通过润湿和钝化增强钙钛矿沉积，从而最大限度地减少了埋藏的界面缺陷。实验结果显示，所得钙钛矿薄膜的PLQY为17%，Shockley-Read-Hall寿命接近7微秒，并在1.21V的V_OC和84.7%的FF下实现了25.4%的认证功率转换效率（PCE）。此外，1 cm²和10 cm²微型模块的PCE分别为23.4%和22.0%。更加重要的是，封装模块在操作和湿热测试条件下均表现出高稳定性。相关研究成果以“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells”为题发表在国际知名期刊Science上。

据了解，2022年4月6日，华东理工大学朱为宏教授、田禾院士研究团队和英国利物浦大学Andrew Cooper教授团队合作，以华东理工大学为第一通讯单位首次在Nature发文，提出了基于动态化学“重构共价有机框架（Reconstructed COF, RC-COF）”的全新概念。

三、【数据概览】

图1  具有超润湿特性的两亲性分子空穴传输体有助于沉积高质量的钙钛矿膜 © 2023 AAAS

图2  掩埋界面的形态特征 © 2023 AAAS

图3  MPA-CPA中氰基对典型钙钛矿表面缺陷钝化作用的第一性原理模拟 © 2023 AAAS

图4  PSCs的光伏性能 © 2023 AAAS

四、【成果启示】

综上所述，本文解决了如何通过开发两亲性分子空穴传输体来控制倒置PSCs的隐埋界面处的缺陷这一长期存在的问题。MPA-CPA分子不仅在ITO衬底上形成了高效的空穴选择性SAM，而且还通过提供超润湿底层增强了钙钛矿沉积。由于氰基和膦酸基团与铅离子的协同配位作用，设计的CPA基团表现出改善的亲水性和缺陷钝化能力。同时，两亲性衬底设计策略对于其他基于钙钛矿的光电器件具有普适性。未来的研究将集中在管理钙钛矿-ETL界面处的非辐射复合和能量排列，以进一步提升MPA-CPA/钙钛矿的效率。

原文详情：Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells (Science, 2023, 380, 404-409)

本文由赛恩斯供稿。