新型分子橋技術(shù)助力倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率突破26.59%！

論文概覽

針對(duì)倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）中空穴傳輸層（HTL）與鈣鈦礦界面存在的分布不均、接觸不良及能量損失等問(wèn)題，重慶大學(xué)孫寬、蔣廷猛團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家科研單位，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種名為4-溴芐基膦酸（4Br-BPA）的小分子橋接層，成功實(shí)現(xiàn)了界面多功能協(xié)同優(yōu)化。該研究通過(guò)將4Br-BPA分子嵌入Me-4PACz SAM層與鈣鈦礦之間，實(shí)現(xiàn)了界面鈍化、能級(jí)對(duì)齊、結(jié)晶促進(jìn)與應(yīng)力釋放等多重效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，4Br-BPA不僅能填補(bǔ)SAM層空隙、增強(qiáng)NiO?表面態(tài)，還能通過(guò)π–π堆疊作用優(yōu)化電荷傳輸路徑，顯著提升空穴遷移率與界面穩(wěn)定性。最終，基于4Br-BPA的倒置PSCs實(shí)現(xiàn)了26.59%的最高光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證效率26.12%），并在連續(xù)光照1400小時(shí)后仍保持90%的初始效率，展現(xiàn)出卓越的操作穩(wěn)定性。該研究以"Multifunctional Buried Molecule-Bridge for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells"為題發(fā)表于Advanced Materials。

技術(shù)亮點(diǎn)

多功能分子橋設(shè)計(jì)：4Br-BPA憑借其小分子尺寸與雙功能基團(tuán)（溴苯與膦酸），同時(shí)實(shí)現(xiàn)物理填充與化學(xué)鈍化，顯著提升界面完整性。

π–π堆疊增強(qiáng)電荷傳輸：4Br-BPA與Me-4PACz形成強(qiáng)π–π相互作用，減少界面電荷積累，優(yōu)化能級(jí)對(duì)齊，提升空穴提取效率。

結(jié)晶模板與應(yīng)變釋放：4Br-BPA層促進(jìn)鈣鈦礦晶粒長(zhǎng)大（平均尺寸從550 nm增至900 nm），并顯著降低薄膜殘余應(yīng)力（從15.69 MPa降至1.50 MPa）。

協(xié)同鈍化與穩(wěn)定性提升：4Br-BPA與鈣鈦組分形成氫鍵與配位作用，有效鈍化界面缺陷，器件在濕熱環(huán)境下表現(xiàn)出色穩(wěn)定性。

研究意義

? 突破效率瓶頸：實(shí)現(xiàn)26.59%的高效率，為倒置PSCs的性能提升提供新路徑。? 提出分子橋接新策略：為SAM/鈣鈦礦界面工程提供多功能分子設(shè)計(jì)范式。? 兼顧性能與穩(wěn)定性：在提升效率的同時(shí)顯著增強(qiáng)器件長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。? 推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用：溶液法制備兼容性強(qiáng)，具備規(guī)?；瘧?yīng)用潛力。

深度精度

圖1：4Br-BPA分子結(jié)構(gòu)及其界面調(diào)控機(jī)制

該圖系統(tǒng)展示了4-溴芐基膦酸（4Br-BPA）分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的多功能界面調(diào)控作用。通過(guò)DFT計(jì)算證實(shí)4Br-BPA與鈣鈦礦的吸附能高達(dá)-3.74 eV（圖1b），而1H NMR譜（圖1c）中FAI與4Br-BPA混合后特征峰位移（7.88→8.67 ppm）揭示了氫鍵相互作用。XPS分析（圖1d）顯示4Br-BPA處理使Pb 4f結(jié)合能降低0.34 eV，表明其通過(guò)電子轉(zhuǎn)移有效鈍化鉛空位。UV-Vis光譜（圖1e）中360 nm處π-π*躍遷峰的紅移證實(shí)了4Br-BPA與Me-4PACz的π-π堆疊，而C 1s XPS（圖1f）中288-294 eV區(qū)間的信號(hào)增強(qiáng)進(jìn)一步驗(yàn)證了這種相互作用。P 2p XPS（圖1g）的雙峰分解表明4Br-BPA優(yōu)先錨定在NiOx表面，其分子密度達(dá)4.77×1013 cm?2（圖1h），比對(duì)照組提升21%，顯著改善了界面覆蓋率和電荷傳輸效率。

圖2：界面電荷傳輸與能級(jí)調(diào)控

該圖通過(guò)多尺度表征揭示了4Br-BPA對(duì)電荷傳輸動(dòng)力學(xué)和能級(jí)排列的優(yōu)化作用。導(dǎo)電原子力顯微鏡（圖2g-h）測(cè)得界面電流從74.56 pA增至91.87 pA，與電導(dǎo)率提升33%（1.08×10?? S cm?1）的結(jié)果一致。UPS分析（圖2i）表明4Br-BPA使NiOx/Me-4PACz價(jià)帶從-5.28 eV下移至-5.47 eV，與鈣鈦礦價(jià)帶（-5.45 eV）形成完美匹配。差分電荷密度分析（圖2j-k）顯示4Br-BPA處理顯著降低了界面電荷積累，而Ni 2p XPS（圖2l）中Ni3?/Ni2?比例從0.87增至1.03，證實(shí)了空穴傳輸能力的增強(qiáng)。

圖3：鈣鈦礦結(jié)晶與缺陷調(diào)控

該圖全面解析了4Br-BPA對(duì)鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量和缺陷態(tài)的影響機(jī)制。掠入射XRD（圖3d-f）證實(shí)4Br-BPA使鈣鈦礦殘余應(yīng)力從15.69 MPa降至-1.50 MPa。穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)PL（圖3g-h）顯示載流子壽命從6.13 μs延長(zhǎng)至8.08 μs，PL mapping（圖3i）強(qiáng)度均勻性提升?？臻g電荷限制電流測(cè)試（圖3j）測(cè)得陷阱密度降低14%（2.79×101? cm?3），瞬態(tài)吸收光譜（圖3l-n）顯示載流子復(fù)合壽命從944.97 ps縮短至806.06 ps，證實(shí)了缺陷鈍化和電荷提取效率的同步提升。

圖4：器件性能與穩(wěn)定性驗(yàn)證

該圖展示了4Br-BPA界面工程對(duì)器件光伏性能和穩(wěn)定性的全面提升。電化學(xué)阻抗譜（圖4f）顯示復(fù)合電阻增大，而光強(qiáng)依賴Voc測(cè)試（圖4g）證實(shí)理想因子從1.73降至1.31 kBT/q。瞬態(tài)光電壓衰減（圖4h）顯示載流子壽命延長(zhǎng)至8.69 μs，穩(wěn)態(tài)輸出（圖4e）在400秒內(nèi)保持26.22%效率。加速老化測(cè)試（圖4i-j）顯示器件在1400小時(shí)連續(xù)光照后保持90%初始效率，在30%濕度環(huán)境中1200小時(shí)穩(wěn)定性較對(duì)照組提升29%，充分驗(yàn)證了4Br-BPA分子橋的多功能界面穩(wěn)定作用。

結(jié)論展望

本研究通過(guò)引入4Br-BPA分子橋接層，成功實(shí)現(xiàn)了倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面的多功能協(xié)同優(yōu)化，最終獲得26.59%的高效率與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該工作不僅為SAM/鈣鈦礦界面工程提供了新材料與新策略，也為未來(lái)高性能、高穩(wěn)定性鈣鈦礦電池的設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)化提供了重要理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。隨著分子界面工程的進(jìn)一步發(fā)展與工藝優(yōu)化，倒置PSCs有望在效率、穩(wěn)定性與成本之間找到最佳平衡，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)向商業(yè)化邁出堅(jiān)實(shí)一步。