【儀表網 研發快訊】10月10日，《自然·能源》(Nature Energy)在線發表了武漢光電國家研究中心陳煒-劉宗豪團隊題為“Aromatic interaction-driven out-of-plane orientation for inverted perovskite solar cells with improved efficiency”的研究論文。
 

　　反式鈣鈦礦太陽能電池因其良好的穩定性和與疊層電池技術的兼容性，被視為最具商業化前景的技術路線之一。其中，甲脒-銫基鈣鈦礦(FA1−xCsxPbI3)因其理想的光學帶隙，被認為是實現更高光電轉換效率的理想材料。在溶液法制備過程中，通過精準調控晶體生長過程，實現有序成核/生長與取向控制，從而獲得高質量、高取向性的鈣鈦礦薄膜，是進一步提升器件性能的關鍵途徑。具有面外取向的鈣鈦礦薄膜表現為(100)晶面平行于基底的堆疊結構，這種結構兼具優異的電荷傳輸特性和較低的缺陷密度，有助于實現更高效的器件性能。然而，現有研究多采用僅具單一作用機制的添加劑，對基于雙添加劑間分子相互作用、協同調控晶體學取向的策略探索仍顯不足。此外，關于高取向性鈣鈦礦薄膜(尤其是FA1−xCsxPbI3)的形成機制，目前理解尚不深入，亟待系統闡釋。因此，發展一種能夠同步調控成核過程、晶體取向與缺陷抑制的整體性策略，對充分釋放反式鈣鈦礦太陽能電池性能潛力具有重要意義。
 

　　針對上述挑戰，陳煒-劉宗豪團隊創新性地提出了一種基于芳香相互作用協同調控的雙分子添加劑晶體調控策略。研究團隊選取了兩種含有萘環的分子：6-羥基-2-萘磺酸鉀(PHNS)和6-溴-2-萘胺鹽酸鹽(BNAC)，協同作用于鈣鈦礦結晶過程。其中，PHNS中的羥基和磺酸基團可與Pb2+離子配位，而BNAC中的銨陽離子則可占據FA+位點。尤為關鍵的是，兩個分子中的萘基在 [PbI6]4−八面體旁形成緊密的芳香堆積結構，從而誘導晶體沿(100)晶面擇優面外取向生長。這種高度有序的生長模式減少了晶界數量，提升了薄膜的整體晶體質量(圖1)。核奧弗豪澤效應光譜和橫截面TEM及相應的電子能量損失光譜分析表明了芳香堆積結構是誘導特定取向生長的關鍵(圖2)。此外，芳香相互作用還增強了對鈣鈦礦薄膜中不同類型缺陷的協同鈍化效果，顯著降低薄膜缺陷密度(圖3)。
 

　　基于該雙分子策略制備的反式鈣鈦礦太陽能電池實現了27.02%的光電轉換效率(認證效率達26.88%)，是目前已報道的單結器件最高效率之一(圖4)。器件同時展現出良好的穩定性，在連續工作2000小時后仍能保持初始效率的98.2%。此外，研究團隊制備的孔徑面積為11.09 cm2的反式微型組件實現了23.18%的認證穩態效率。將該策略拓展至窄帶隙鈣鈦礦體系后，同樣具備誘導面外擇優取向性的效果，基于此制備的全鈣鈦礦疊層太陽能電池則實現了29.07%的認證效率。
 

圖1 鈣鈦礦晶體結構與取向
 

圖2 鈣鈦礦晶體生長機理
 

圖3 鈣鈦礦薄膜的光電特性
 

圖4 器件的光伏性能
 

　　華中科技大學周琪森博士后、王佳楠博士、苗天胤碩士、陳銳博士后和北京工業大學黃國裕博士為論文的共同第一作者，華中科技大學陳煒教授、劉宗豪副教授、北京工業大學盧岳研究員、深圳職業技術大學李競白副教授為共同通訊作者，華中科技大學為第一通訊單位。在合作貢獻方面，盧岳研究員團隊主導完成了透射電子顯微鏡(TEM)的表征和分析工作，李競白副教授團隊負責了理論計算部分的研究。此外，該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、光谷實驗室創新計劃、中國博士后科學基金、華中科技大學“基礎研究支持計劃”、華中科技大學自主創新研究基金、湖北省自然科學基金、北京市自然科學基金優秀青年基金等項目的支持。