钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电转换效率和低成本制备，在过去十年间引发了广泛的研究热潮，并被认为是最有潜力替代传统硅太阳能电池的下一代光伏技术之一。近年来，PSCs 的效率不断提升，并不断刷新着世界纪录。
南方科技大学许宗祥教授团队与香港城市大學Alex K.-Y Jen教授团队合作，近期取得重大突破，成功研发出一种新型自组装单分子层 (SAM) 材料，并将其应用于倒置钙钛矿太阳能电池，实现了惊人的 26.17% 的能量转换效率 (PCE)，创下了新的世界纪录。 这一研究成果发表在国际顶尖期刊《Joule》上。
突破的关键：自组装单分子层材料
自组装单分子层 (SAM) 材料，在钙钛矿太阳能电池中扮演着重要的角色，可以有效地调节电极的功函数，促进电荷的提取和传输，提升器件的性能和稳定性。其中在界面修饰上，改善钙钛矿层与电极之间的界面接触质量，有效减少界面缺陷和不连续性; 能级对齐，优化电荷的注入和传输效率;能抑制离子迁移，在界面上形成紧密的分子排列，限制离子的迁移路径; 减少非辐射复合，在钙钛矿层与电极之间形成均匀的复盖层，减少界面处的非辐射复合损失，有助于提高光电转换效率; 防止湿气侵入，阻止湿气和氧气侵入钙钛矿层，从而提高电池的耐候性和长期稳定性。增强机械稳定性，通过分子间的相互作用增强钙钛矿层与电极之间的粘附力，提高整个器件的机械稳定性，减少在加工和使用过程中可能出现的分层或裂纹现象。
传统上，商业化的 SAM 材料，如 Me-4PACz，通常采用灵活的烷基链作为连接基团，这会导致分子排列不规则，影响材料的稳定性和电荷传输效率。
Me-4PACz（4-苯基胺甲基二磷酸酯）和 Me-PhpPACz（苯基化的4-苯基胺甲基二磷酸酯）两种用于优化钙钛矿太阳能电池界面的自组装单分子层（SAM）材料差異性:
· 分子结构：
Me-4PACz：含有一个简单的4-苯基胺甲基基团，结构相对简单。
Me-PhpPACz：在 Me-4PACz 的基础上进行了苯基化处理，使得分子结构更加复杂，具有更大的分子体积和更复杂的分子间相互作用。
· 表面修饰效果：
Me-4PACz：能够有效修饰电极表面，但其修饰效果受限于其简单的分子结构，可能无法充分覆盖或优化界面。
Me-PhpPACz：由于苯基化处理，能够提供更好的界面覆盖和修饰效果，从而进一步优化界面性质。
许宗祥教授团队与香港城市大學Alex K.-Y Jen教授团队合作，通过将 Me-4PACz 中的柔性烷基链替换为刚性、共轭的亚苯基环，成功合成了一种新型的 SAM 材料：Me-PhpPACz。这种结构上的改进，赋予了 Me-PhpPACz 更加优异的性能：
l 更高的分子密度： 由于亚苯基环的刚性结构，Me-PhpPACz 分子在基底上排列更加紧密，形成更加致密的薄膜，有效地减少了器件的漏电流，提升了其稳定性。
l 更强的电荷传输能力： 共轭亚苯基环的引入，增强了分子间的电荷传输效率，提高了器件的填充因子，进而提升了其能量转换效率。
l 更低的功函数： Me-PhpPACz 的引入，可以有效调节电极的功函数，促进空穴的提取，提高器件的开路电压。
突破性的成果
这项研究最终取得了突破性成果：
l 使用 Me-PhpPACz 材料的倒置钙钛矿太阳能电池，能量转换效率 (PCE) 达到惊人的 26.17%，并获得 NREL 认证的稳态效率。
l 器件表现出非凡的长期稳定性，在 65°C 的环境温度下，连续运行超过 1200 小时，仍保持 95% 的初始效率。
反式钙钛矿太阳能电池的近3年研究突破论文
近年来，倒置钙钛矿太阳能电池的研究取得了突破性进展，以下是一些代表性的论文：
2021年： Nature. 25.2% Pseudo-halide anion engineering for α-FAPbI3 perovskite solar cells, PI： J. Y. Kim (UNIST韩国科学技术院)
2022年： Nature Photonics. 23.91% Quantum-size-tuned heterostructures enable efficient and stable inverted perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多伦多/西北大学)
2023年： Science.24.09% Engineering ligand reactivity enables high-temperature operation of stable perovskite solar cells, PI： Edward H. Sargent (多伦多/西北大学)
2024年: Science. 26.14% Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands, PI: Edward H. Sargent (多伦多/西北大学)
未来展望
許宗祥教授团队的突破性研究成果，为钙钛矿太阳能电池的实际应用开辟了新的道路。未来，研究人员将继续探索更有效的缺陷管理和離子渗透阻挡策略，并结合先进的表征手段和模拟计算，进一步提高钙鈦礦太陽能電池的效率和稳定性，推动该技术走向商业化应用。
Fig. 4. 反式过氧化物太阳能电池的光伏性能(A) 器件结构以及经过 10 ps AIMD模拟。
(B）Me-PhpPACz 器件的横截面 SEM 图像。
(C）基于 Me-4PACz 和 Me-PhpPACz 的 PSC 的 J-V 曲线（数据 S1.C）。基于Me-PhpPACz），（D）Me-4PACz 和基于 Me-PhpPACz 的 PSC 以及集成 JSC 在 AM 1.5G 标准频谱上的 IPCE 曲线，（E）器件 FF S-Q 限制，包括电荷传输损耗和非辐射损耗；（F）基于 Me-4PACz 和 MePhpPACz 的 PSC 在 0.01-2,000 mA/cm2 范围内的 EQEEL 和 EL 图像，以及 (G) 在 N2 和模拟 1 sun AM 1.5G 光照下跟踪未冷却器件的 MPP（工作温度达到 50C G 10C）。温度为 50C G 10C)
原文出处: joule _ DOI
