近年來(lái)，鈣鈦礦材料在光伏領(lǐng)域頗具潛力，單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率屢創(chuàng)新高。為進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率，科研人員制備了一系列基于寬帶隙鈣鈦礦的疊層太陽(yáng)能電池，如鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池等。相較于其他種類的疊層太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池作為新興技術(shù)而備受關(guān)注。在鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池中，研究人員以寬帶隙鈣鈦礦材料為頂電池來(lái)吸收短波長(zhǎng)太陽(yáng)光，以窄帶隙有機(jī)活性層為底電池來(lái)吸收近紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)太陽(yáng)光。這拓寬了可利用太陽(yáng)光譜范圍并降低了能量損失。研究顯示，鈣鈦礦子電池可以過濾高能量光子以保護(hù)有機(jī)活性層并防止其光降解，有機(jī)子電池可以作為封裝層隔絕水氧以提升環(huán)境穩(wěn)定性，疊層太陽(yáng)能電池的中間透明電極層可以緩解鈣鈦礦頂電池負(fù)極處離子擴(kuò)散等問題，從而使鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性優(yōu)于單結(jié)鈣鈦礦和單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池。同時(shí)，鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池保留了可溶液制備太陽(yáng)能電池的本征優(yōu)勢(shì)。
提升開路電壓是提高鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵因素。在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C60電子傳輸層界面處經(jīng)常存在嚴(yán)重的界面復(fù)合，表面態(tài)誘導(dǎo)的導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)造成電壓損失。為降低界面處的電壓損失進(jìn)而提升太陽(yáng)能電池效率，鈍化寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C60電子傳輸層的界面是有效的策略。
中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫/孟磊團(tuán)隊(duì)在前期成果的基礎(chǔ)上，研究了鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)電池。該團(tuán)隊(duì)剖析了具有順反異構(gòu)特性的1,4-環(huán)己二胺分子對(duì)于寬帶隙鈣鈦礦表面的鈍化機(jī)制，揭示了兩種順反異構(gòu)的鈍化劑分子所致的鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)差異，篩選出擁有優(yōu)勢(shì)構(gòu)型的順式鈍化分子（cis-CyDAI2）。該工作結(jié)合理論計(jì)算與X射線研究順反兩種鈍化劑分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)差異，探討不同鈍化分子處理的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，提取得到相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂，發(fā)現(xiàn)cis-CyDAI2處理的鈣鈦礦薄膜有更高的理論開路電壓。進(jìn)一步地，研究通過紫外光電子能譜與表面開爾文力顯微鏡等測(cè)試手段發(fā)現(xiàn)，cis-CyDAI2導(dǎo)致寬帶隙鈣鈦礦表面費(fèi)米能級(jí)上升，削弱表面釘扎效應(yīng)，且與電子傳輸層有更好的接觸。研究在具有1.88 eV帶隙的寬帶隙鈣鈦礦單結(jié)電池中獲得了1.36 V的開路電壓與18.4%的光電轉(zhuǎn)換效率。這一策略為寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池降低電壓損失提供了全新思路。
進(jìn)一步地，科研人員結(jié)合窄帶隙有機(jī)材料底電池構(gòu)建了鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池，獲得了26.4%的光電轉(zhuǎn)換效率（經(jīng)第三方認(rèn)證為25.7%），為目前報(bào)道的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)電池的最高效率。
10月14日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。該工作由化學(xué)所和德國(guó)波茨坦大學(xué)合作完成。
（a）鈣鈦礦鈍化劑CyDAI2化學(xué)結(jié)構(gòu)，（b）通過測(cè)試不同條件下薄膜的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂和器件的開路電壓總結(jié)的電壓損耗示意圖，（c）鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖及掃描電鏡截面圖，（d）太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓曲線
