近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所潘旭研究員團(tuán)隊(duì)在反式鈣鈦礦太陽電池傳輸層優(yōu)化方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了太陽電池器件效率與穩(wěn)定性的雙重突破。相關(guān)成果以“Suppression of PCBM dimer formation in inverted perovskite solar cells”為題發(fā)表在國際期刊Nature Materials（Nat. Mater.,2025, DOI:10.1038/s41563-025-02368-7）上。
鈣鈦礦太陽電池的效率已逼近27%大關(guān)，成為新一代光伏技術(shù)的研究熱點(diǎn)。此前，合肥物質(zhì)院潘旭研究員團(tuán)隊(duì)通過均質(zhì)化鈣鈦礦吸收層中的陽離子分布，為優(yōu)化吸收層提供了新思路（Nature 2023, 624,557-563）。在鈣鈦礦太陽電池的器件結(jié)構(gòu)中，除核心的鈣鈦礦吸收層外，其兩側(cè)的半導(dǎo)體功能傳輸層對電荷分離與輸運(yùn)起著關(guān)鍵支撐作用，直接影響器件的整體性能。其中，苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的電子傳輸層材料，然而該材料在光照、高溫等典型環(huán)境應(yīng)力作用下，易發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)并形成二聚體。這一變化不僅會(huì)導(dǎo)致材料電荷遷移率顯著下降、能帶結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而拉低器件光電轉(zhuǎn)換效率，還會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)器件穩(wěn)定性衰減，成為制約鈣鈦礦太陽電池實(shí)用化進(jìn)程的重要瓶頸。
鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)通過分析PCBM分子在鈣鈦礦不同表面終端的堆疊行為，發(fā)現(xiàn)PCBM的異質(zhì)化取向是導(dǎo)致其生成二聚體的主要原因之一,進(jìn)而設(shè)計(jì)了PCBM前驅(qū)體添加劑2,3,5,6 -四氟-4-碘苯甲酸（FIBA）。通過與PCBM分子的多相關(guān)作用，引導(dǎo)其在鈣鈦礦表面有序堆疊，均質(zhì)化其取向，從而抑制環(huán)加成反應(yīng)所必須的反應(yīng)位點(diǎn)拓?fù)鋵R，抑制二聚體的生成。該方法制備的太陽電池實(shí)現(xiàn)了26.6%的實(shí)驗(yàn)室級（~0.1cm2）器件效率、25.3%的單元面積（1cm2）器件效率和21.3%的大面積組件（762cm2）效率。此外，所構(gòu)筑的器件，在工況下的穩(wěn)定性同樣得到顯著提升，在高溫、高濕、持續(xù)光照的苛刻條件下，穩(wěn)定運(yùn)行2000小時(shí)后仍能保持85%以上的初始性能。該工作為鈣鈦礦太陽電池的提效增穩(wěn)提供了可行的解決方案。
合肥物質(zhì)院固體所博士畢業(yè)生梁政、徐慧芬、碩士畢業(yè)生黃甄答、南方科技大學(xué)雷霞博士為論文共同第一作者。合肥物質(zhì)院葉加久副研究員、潘旭研究員、韓國成均館大學(xué)Nam-Gyu Park教授、深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)李競白教授以及香港科技大學(xué)（廣州）章勇教授為論文的共同通訊作者。合肥物質(zhì)院為論文的第一通訊單位。本工作得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委的支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02368-7
圖. （a）鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)及添加劑分子示意圖；（b）PCBM電子傳輸材料二聚化及添加劑作用機(jī)理；（c-f）分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果示意圖；（g-h）太陽電池器件效率。
