武漢光電國家研究中心陳煒劉宗豪團隊鈣鈦礦太陽能電池研究獲進展
 

　　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。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。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。
 

　　清華大學材料學院林紅團隊在鈣鈦礦太陽能電池研究領域取得新進展
 

　　金屬鹵化物鈣鈦礦因其出色的光電性能、溶液法加工特性和優異的機械柔韌性，已成為柔性可穿戴光伏領域中最具發展前景的材料體系之一。然而，常用的柔性聚合物透明導電基板存在表面粗糙度大、溶液浸潤性差、熱傳導速率慢等問題，導致高沸點溶劑二甲基亞砜(DMSO)易殘留于鈣鈦礦層與下方傳輸層之間的埋底界面處，進而引發界面孔洞、結晶無序以及殘余應力積累等問題，嚴重限制了柔性器件的光電轉換效率與機械彎折穩定性。因此，解析DMSO殘留的微觀機理，并發展一種能夠簡潔、高效清除界面殘留物的策略，已成為當前該領域亟待突破的關鍵科學問題。
 

　　近日，清華大學材料學院林紅教授團隊合作在柔性鈣鈦礦太陽能電池埋底界面二甲基亞砜(DMSO)殘留去除方面取得重要研究進展。團隊創新性地提出了一種雙官能團分子工程策略，將具有羧酸基團和碘代基的3-碘丙酸(IDPAC)分子引入SnO2/鈣鈦礦埋底界面。IDPAC作為化學分子橋能夠實現對SnO2氧空位和鈣鈦礦未充分配位鉛的雙面鈍化，通過飽和界面缺陷削弱了其對DMSO的吸附作用，實現界面殘留DMSO的高效原位清除，顯著提升了鈣鈦礦薄膜的結晶質量，釋放了殘余拉應力，并增強了界面結合力。
 

　　中國科學院寧波材料所在提高鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池效率方面取得新進展
 

　　兩端口鈣鈦礦/硅疊層太陽電池的功率轉換效率(PCE)已飆升至35.0%，已突破單結太陽電池理論極限。盡管如此，相對于其45.1%的理論極限效率，仍有相當大的改進空間，尤其是在寬帶隙鈣鈦礦頂電池方面。在疊層電池中，寬帶隙鈣鈦礦頂電池的開路電壓和填充因子仍顯著低于窄帶隙鈣鈦礦電池，其根本原因在于鈣鈦礦與載流子傳輸層界面存在嚴重的載流子復合及能級失配問題，尤其是在鈣鈦礦/C60界面。
 

　　近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所光電信息材料與器件實驗室高效太陽能電池及寬禁帶半導體團隊在葉繼春研究員的帶領下，在前期晶體硅和鈣鈦礦太陽電池研究的基礎上(Nat. Energy 2025, 10, 737; Nat. Energy, 2023, 8; Joule 2022, 6, 2644; Nat. Commun. 2024, 15, 8453; Nat. Commun. 2023, 14, 2166; Adv. Mater. 2023, 35, e2211962; Adv. Energy Mater. 2024, 2403021; Adv. Funct. Mater. 2024, 34; Sci. Bull. 2024, 69, 1887; ACS Energy Lett. 2024, 9, 4018; Nano Energy 2022, 100, 107529; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 52223; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006; J. Mater. Chem. A, 2023,11, 6556; Adv. Funct. Mater. 2023, 2304708; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006.)，在高效鈣鈦礦/硅疊層電池領域取得了新的進展。該團隊設計合成了一種兼具路易斯酸堿官能團的高極性籠狀二胺氯化物來減少鈣鈦礦薄膜缺陷和調控界面偶極，從而抑制非輻射復合和優化表面能級排列。同時，這種獨特的籠狀陽離子能誘導形成具有自發面內取向的純相、準二維鈣鈦礦，并展現出顯著的鐵電效應，可進一步降低鈣鈦礦表面功函數以促進載流子分離與提取。基于此，0.1cm2和1.21cm2的1.68eV鈣鈦礦單結太陽能電池分別獲得了22.6%和21.0%的PCE。此外，基于隧穿氧化物鈍化接觸的1.0cm2兩端口鈣鈦礦/硅疊層太陽電池實現了31.1%的PCE，并表現出良好的工作穩定性(ISOS-L-1，T85>1020h)。鐵電界面物理特性為高效穩定的鈣鈦礦基疊層光伏技術開辟了全新可能性。
 

　　半導體所研制出光電轉換效率超過27%的鈣鈦礦太陽能電池
 

　　鈣鈦礦太陽能電池因其易于低成本印刷制備且具有高光電轉換效率的優勢，被視為新一代太陽能電池的典型代表，發展前景廣闊。經過十六年的快速發展，其光電轉換效率已從最初的3.8%提升至超過26%，逼近單晶硅太陽能電池水平，但與理論極限效率仍存在一定差距。實現高效率鈣鈦礦太陽能電池的關鍵要素之一是制備高質量鈣鈦礦半導體薄膜。甲基氯化銨(MACl)因能同時降低鈣鈦礦成核勢壘并促進晶體高質量生長，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長的輔助材料。
 

　　近期，中國科學院半導體研究所游經碧研究員領導的團隊發現基于MACl制備的鈣鈦礦薄膜存在垂直方向上氯分布的不均勻的問題，主要原因是MACl中的氯離子在鈣鈦礦結晶過程中迅速遷移至上表面引起富集。這種不均勻的氯分布會誘發鈣鈦礦上表面產生缺陷和界面電子勢壘，引起載流子復合損失，阻礙載流子輸運，制約了器件光電轉換效率的進一步提升，同時影響其長期運行穩定性。
 

　　山東大學王亮、劉倩、于偉泳團隊在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進展
 

　　近日，山東大學集成電路學院教授王亮、物理學院實驗師劉倩和化學與化工學院教授于偉泳在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得重要進展。研究團隊提出了一種基于2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)原位聚合形成柔性聚合物(P-AMPS)的新策略，用于構筑晶粒間的柔性隔離網絡，從結構層面有效解耦光致晶格演化與機械應變積累，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的光機械穩定性與運行壽命。相關成果以題為“Decoupling photoinduced lattice evolution via grain spatial isolation for efficient and stable perovskite solar cells”的論文發表在國際期刊Advanced Material(影響因子：26.8)。王亮、劉倩和于偉泳為論文的共同通訊作者，化學與化工學院博士研究生何正言為第一作者。
 

　　在鈣鈦礦太陽能電池中，晶界處的應力積累與缺陷演化是導致性能衰退的關鍵因素。針對這一難題，研究團隊創新性地在鈣鈦礦薄膜退火過程中引入AMPS單體，通過熱誘導原位聚合生成柔性交聯聚合物P-AMPS，使其自發分布于晶粒邊界處，形成“空間分離—柔性緩沖”功能網絡。該結構不僅實現了晶粒的物理隔離與應力傳遞削弱，還通過磺酸基與羰基等功能基團實現了缺陷鈍化與載流子輸運優化。
 

　　復旦團隊研發錫基鈣鈦礦太陽能電池，攻克無鉛、可持續綠色光伏技術關鍵難題
 

　　長期以來，高性能鈣鈦礦太陽能電池高度依賴鉛元素，帶來了巨大的環境和健康隱患，難道高性能光伏材料必須含鉛？其實未必！
 

　　不依賴有毒的鉛元素，只借助綠色無害的錫元素，復旦大學智能材料與未來能源創新學院梁佳青年研究員團隊研發出的錫基鈣鈦礦太陽能電池不僅實現了全生命周期無害，甚至突破了光電轉換效率的世界紀錄。
 

　　這一創新成果攻克了無鉛、可持續綠色光伏技術的關鍵難題，標志我國在清潔能源材料領域再獲突破，未來有望融入人類日常生活。
 

　　相關成果以《基于均一埋底界面的錫基鈣鈦礦太陽能電池》(Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface)為題，于北京時間10月15日晚間在《自然》(Nature)期刊以加速預覽的形式在線發表。
 

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