武汉光电国家研究中心陈炜刘宗豪团队钙钛矿太阳能电池研究获进展

　　10月10日，《自然·能源》(Nature Energy)在线发表了武汉光电国家研究中心陈炜-刘宗豪团队题为“Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency”的研究论文。
 

　　反式钙钛矿太阳能电池因其良好的稳定性和与叠层电池技术的兼容性，被视为最具商业化前景的技术路线之一。其中，甲脒-铯基钙钛矿(FA1−xCsxPbI3)因其理想的光学带隙，被认为是实现更高光电转换效率的理想材料。在溶液法制备过程中，通过精准调控晶体生长过程，实现有序成核/生长与取向控制，从而获得高质量、高取向性的钙钛矿薄膜，是进一步提升器件性能的关键途径。具有面外取向的钙钛矿薄膜表现为(100)晶面平行于基底的堆叠结构，这种结构兼具优异的电荷传输特性和较低的缺陷密度，有助于实现更高效的器件性能。然而，现有研究多采用仅具单一作用机制的添加剂，对基于双添加剂间分子相互作用、协同调控晶体学取向的策略探索仍显不足。此外，关于高取向性钙钛矿薄膜(尤其是FA1−xCsxPbI3)的形成机制，目前理解尚不深入，亟待系统阐释。因此，发展一种能够同步调控成核过程、晶体取向与缺陷抑制的整体性策略，对充分释放反式钙钛矿太阳能电池性能潜力具有重要意义。
 

　　针对上述挑战，陈炜-刘宗豪团队创新性地提出了一种基于芳香相互作用协同调控的双分子添加剂晶体调控策略。研究团队选取了两种含有萘环的分子：6-羟基-2-萘磺酸钾(PHNS)和6-溴-2-萘胺盐酸盐(BNAC)，协同作用于钙钛矿结晶过程。其中，PHNS中的羟基和磺酸基团可与Pb2+离子配位，而BNAC中的铵阳离子则可占据FA+位点。尤为关键的是，两个分子中的萘基在 [PbI6]4−八面体旁形成紧密的芳香堆积结构，从而诱导晶体沿(100)晶面择优面外取向生长。这种高度有序的生长模式减少了晶界数量，提升了薄膜的整体晶体质量(图1)。核奥弗豪泽效应光谱和横截面TEM及相应的电子能量损失光谱分析表明了芳香堆积结构是诱导特定取向生长的关键(图2)。此外，芳香相互作用还增强了对钙钛矿薄膜中不同类型缺陷的协同钝化效果，显著降低薄膜缺陷密度(图3)。
 

　　基于该双分子策略制备的反式钙钛矿太阳能电池实现了27.02%的光电转换效率(认证效率达26.88%)，是目前已报道的单结器件最高效率之一(图4)。器件同时展现出良好的稳定性，在连续工作2000小时后仍能保持初始效率的98.2%。此外，研究团队制备的孔径面积为11.09 cm2的反式微型组件实现了23.18%的认证稳态效率。将该策略拓展至窄带隙钙钛矿体系后，同样具备诱导面外择优取向性的效果，基于此制备的全钙钛矿叠层太阳能电池则实现了29.07%的认证效率。
 

图1 钙钛矿晶体结构与取向
 

图2 钙钛矿晶体生长机理
 

图3 钙钛矿薄膜的光电特性
 

图4 器件的光伏性能
 

　　华中科技大学周琪森博士后、王佳楠博士、苗天胤硕士、陈锐博士后和北京工业大学黄国裕博士为论文的共同第一作者，华中科技大学陈炜教授、刘宗豪副教授、北京工业大学卢岳研究员、深圳职业技术大学李竞白副教授为共同通讯作者，华中科技大学为第一通讯单位。在合作贡献方面，卢岳研究员团队主导完成了透射电子显微镜(TEM)的表征和分析工作，李竞白副教授团队负责了理论计算部分的研究。此外，该研究工作得到了科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、光谷实验室创新计划、中国博士后科学基金、华中科技大学“基础研究支持计划”、华中科技大学自主创新研究基金、湖北省自然科学基金、北京市自然科学基金优秀青年基金等项目的支持。