近年來，作為光伏領(lǐng)域的新興技術(shù)，鈣鈦礦太陽能電池以優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率和低溫溶液加工特性，被視為下一代光伏技術(shù)的戰(zhàn)略制高點。然而，如何在保持高轉(zhuǎn)換效率的同時，確保電池的長期穩(wěn)定性，始終是制約鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。
針對這一問題，西安交通大學(xué)物理學(xué)院梁超研究員（楊生春和楊志懋教授團隊）通過分子界面工程，首創(chuàng)了一種內(nèi)嵌金屬富勒烯分子Nd@C82與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的耦合結(jié)構(gòu)，對鈣鈦礦層進行原位封裝，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩(wěn)定性。所制備的倒置型鈣鈦礦光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）分別為26.78%（0.08cm2）（認證值為26.29%）和23.08%（16cm2，模塊），在濕熱測試條件（ISOS-D-3標準）下經(jīng)過1000小時效率仍保持在99%以上。這一創(chuàng)新成果揭示了一種分子界面極化調(diào)控新機制，將為高性能鈣鈦礦太陽能電池設(shè)計開發(fā)提供新路徑。
該研究的核心創(chuàng)新點在于利用內(nèi)嵌金屬富勒烯分子Nd@C82作為電磁耦合傳輸介質(zhì)，可通過界面極化增強電子提取能力和效率，進而耦合聚合物PMMA使該界面兼具了優(yōu)異結(jié)構(gòu)保護性能和超快電子選擇傳輸特性，確保了電池中均質(zhì)且超快電子提取，從而兼顧超快電子提取和原位封裝的特點，促進均勻的電子提取并抑制離子相互擴散，最終顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池在高溫、高濕等復(fù)雜環(huán)境下的PCE和運行壽命，拓展了其在戶外及實際應(yīng)用場景中的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
該研究成果以《Nd@C82-聚合物界面應(yīng)用于高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池》（“A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”）為題于4月8日在《自然》（Nature）期刊上在線發(fā)表。西安交通大學(xué)物理學(xué)院博士研究生林越辛、水源、朱文靜，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院碩士研究生呂世麗，福建農(nóng)林大學(xué)林智超博士為論文共同第一作者；物理學(xué)院梁超研究員、楊生春教授、楊濤研究員，化學(xué)學(xué)院蔡文婷研究員（丁書江教授團隊），澳門大學(xué)邢貴川教授，河南大學(xué)李萌教授為論文通訊作者；西安交通大學(xué)物理學(xué)院為本論文第一完成單位。論文得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在材料結(jié)構(gòu)測試與分析方面提供的大力支持，特別是郭航、梁艷、周國慶和張楊提供了相關(guān)表征和分析支持。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計劃和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。
圖1 內(nèi)嵌金屬富勒烯Nd@C82-聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）耦合層助力超快電子提取和離子擴散抑制。
（a）C60，Nd@Cs(6)-C82，以及Nd@C2v(9)-C82的分子結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的電子局域化函數(shù)（ELF）。（b）鈣鈦礦/富勒烯的電荷密度差分布（CDD）。（c）計算出的不同富勒烯電子電導(dǎo)率。（d）具有Nd@C82-PMMA耦合層的倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的器件結(jié)構(gòu)示意圖。（e）橫截面飛行時間二次離子質(zhì)譜圖。
圖2 具有Nd@C82-PMMA耦合層鈣鈦礦薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。
（a-c）鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢圖。（d-f）鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢變化。（g-i）鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的光致發(fā)光掃描成像圖。
圖3 Nd@C82-PMMA耦合層用于平衡電荷載流子傳輸。
（a）鈣鈦礦薄膜、對照組薄膜（鈣鈦礦/C）和Nd@C（鈣鈦礦/Nd@C82/C60）薄膜的光致發(fā)光光譜圖。（b）鈣鈦礦薄膜、對照組薄膜（鈣鈦礦/C60）和Nd@C（鈣鈦礦/Nd@C82/C60）薄膜的時間分辨熒光光譜圖。（c）鈣鈦礦/C60薄膜、鈣鈦礦/自組裝單層（SAM）薄膜、鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的時間分辨熒光光譜圖。（d）鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能帶排列。（e-f）能帶排列示意圖。
圖4 基于Nd@C82制備器件的光伏性能。
（a）最優(yōu)的對照組和基于Nd@C82制備器件的J-V曲線。（b）從J-V曲線中獲得的光電轉(zhuǎn)換效率值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。（c）基于Nd@C82制備的最優(yōu)模組的J-V曲線。（d）最優(yōu)模組的最大功率點輸出曲線。（e）基于ISOS-D-2I測試協(xié)議下器件的穩(wěn)定性。（f）基于ISOS-L-3測試協(xié)議下器件的穩(wěn)定性。
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