学院层状材料与器件团队陈聪教授

在《Advanced Materials》等刊发表高效光伏系列成果

2024年3月26日，国际高水平期刊《Advanced Materials》在线刊登了我院层状材料与器件团队陈聪教授及合作者在钙钛矿光伏电池方面取得的重要研究成果——阴/阳离子协同工程抑制离子迁移实现PCE>25%的钙钛矿光伏器件和PCE>20%的钙钛矿光伏模组。这是陈聪教授及合作者近一年内第三次在Advanced Materials刊发研究论文（Research article）。与此同时，相关针对钙钛矿光伏器件性能调控的研究工作也已经连续发表在Nano Letters、Angewandte Chemie、Advanced Energy Materials、Small等期刊，以上系列工作对深入理解和阐释基于晶体缺陷和界面能带调控实现高效钙钛矿光伏的前沿策略起到重要支撑作用。

研究背景：

钙钛矿太阳能电池具有高效率、低成本以及可柔性应用的优势。截至目前，其实验室认证光电转换效率已经达到26.8%，与晶硅进行叠层电池效率更是达到了33.9%，远超于CdTe碲化镉薄膜和CIGS铜铟镓硒薄膜光伏的22.6%和23.6%（数据来源：NREL）。钙钛矿太阳能电池可通过溶液加工方法在室温下进行制备，相较于硅基电池的高温拉晶制造过程，大大降低了生产成本，同时也增加了其对柔性可穿戴电子器件的适用性。

然而，钙钛矿太阳能电池效率距离单结太阳电池的~31%的S-Q极限效率仍有巨大提升空间（尤其是开路电压Voc参数），同时电池器件的使役可靠性/运行稳定性仍需进一步提升来满足商业化实际场景应用。作为软晶格材料，离子晶体钙钛矿内部的缺陷，特别是在晶体界面处的缺陷，会促进载流子（电子和空穴）的复合，导致电池产生较为严重的Voc的损失。同时，缺陷也会引起电池器件发生严重性能衰减的问题。针对以上问题，研究者们正在积极探索解决方案，比如通过材料组分工程来优化钙钛矿晶体结构，探索界面工程减少界面缺陷等。虽然这些技术提供了一定程度的光电性能改进提升，但要实现钙钛矿太阳能电池的商业化及大规模产业化应用，还需要在深入理解和控制钙钛矿材料组分、晶体缺陷以及异质界面等方面取得更深层次的研究进展。

以下摘选近期发表的6篇代表性研究工作进行介绍：

研究工作1：精确控制分子空间构象实现界面缺陷钝化和非辐射复合Voc损失抑制

针对界面缺陷及其引起的非辐射复合损失问题，团队成员提出了一种通过利用有机胺阳离子官能团和空间构象依赖的分子铵盐来调控晶体缺陷的策略，有效管理钙钛矿光伏器件界面缺陷和载流子动态。研究中，通过3-氨基丙酸碘化物（3-APAI）对钙钛矿薄膜进行表面处理，不仅没有形成二维钙钛矿钝化层，而且通过适当的烷基链长度，使得3-APAI分子中的-COOH和-NH3+基团能够同时牢固地锚定在钙钛矿薄膜表面。这种锚定作用加强了缺陷钝化效果，改善了界面载流子的传输和转移，实现24.72%的PCE。这是论文发表时基于无需反溶剂制备的器件中最高效率之一。这项研究的创新之处在于提出了一种通过协同调控有机铵盐分子的官能团和空间构象来有效管理界面缺陷和载流子动态的策略，这对于提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性具有重要意义。该研究突显了通过精确控制分子间作用和材料界面来最大化缺陷钝化效果和最小化界面非辐射复合损失的巨大潜力，为未来高性能、长稳定性钙钛矿太阳能电池的开发提供了新的策略和理论依据。论文的第一作者为我院2020级硕士研究生高德钰。（Adv. Mater., 2023, 35, 2301028.）

论文1在线链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301028

研究工作2：手性分子钝化剂实现界面缺陷钝化和能带匹配特性优化

针对电池器件内部界面能带失配等问题，团队成员进一步提出了一种通过手性分子工程策略来抑制钙钛矿太阳能电池内部界面能量损失的方法。通过使用S-布洛芬（S-IBU）、R-布洛芬（R-IBU）和外消旋布洛芬（rac-IBU）三种具有羧酸官能团的配体分子对钙钛矿进行后处理，实现对器件内部界面缺陷以及界面能带对齐的调控。研究显示，rac-IBU分子在所有手性分子中具有最强的锚定能力（XPS、FTIR等表征发现具有最高的结合能），最终产生最佳的缺陷钝化效果。这种方法利用了手性分子独特的空间构象，有效地降低了界面缺陷和界面能量障碍，使基于真空闪蒸技术的器件实现超过24%的最大效率。此外，rac-IBU调控的电池器件在连续最大功率点跟踪1040小时后能够保持其初始性能的90%。这项研究的创新性在于手性分子工程及其高效与高稳定钙钛矿光伏器件的应用研究，它为通过控制分子的空间构象来抑制界面非辐射复合损失，降低Voc损失提供了一条可行的路径。论文的第一作者为我院2021级硕士研究生赵雪帆。（Nano Lett., 2023, 23, 11184.）

论文2在线链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03655

研究工作3：新型非共价构象锁分子结构的空穴传输层提升电池器件电荷提取特性

此后，针对电池器件中p型空穴传输材料的弱电荷提取/传输性质，团队成员提出了一种基于苯并噻吩的非共价构象锁的空穴传输分子结构。通过在钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料中引入这种结构，大大提高了器件效率和空穴抽取能力。这一研究的核心创新在于使用BTT构建了新型的有机半导体非共价构象锁，其能够显著改善分子间的电荷提取/传输性质，实现了适当的能级对齐和有效的表面钝化效应。结果，基于该策略的器件分别在0.1和1.01 cm²的孔径面积上实现了24.39%和20.95%的效率。该研究的意义在于通过精准设计的分子结构，不仅提高了空穴传输材料的空穴输运效率，同时还显著提升了电池器件的稳定性。（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 135, e202314270.）

论文3在线链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.202314270

研究工作4：掺杂三氟乙酸钾实现精准的太阳电池器件异质界面能量调控

而后，针对钙钛矿电池TOP/DOWN双界面能带匹配问题，团队成员提出了一种异质界面能量调控策略，通过引入三氟乙酸钾（KTFA）到钙钛矿前驱体溶液中，在结晶后的薄膜中成功优化了表面电势和费米能级，消除了陷阱缺陷。这项研究首次展示了通过在钙钛矿上部和埋藏界面沉积非掺杂的K+，能够改善能级匹配，从而提高电荷提取效率。此外，TFA−离子在钙钛矿与电子传输层的埋藏接触中表现出强烈的静电作用力，这有助于界面处Pb2+的配位。该研究提出了一种针对钙钛矿太阳能电池性能提升的异质界面能量调控策略，通过精确的材料和界面工程，显著降低了界面处的陷阱缺陷，并优化了能级对齐。论文的第一作者为我院2021级硕士研究生朱云飞。（Adv. Energy Mater., 2024, 2303946.）

论文4在线链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202303946#

研究工作5：基于多齿螯合配体分子调控界面应力提升钙钛矿器件效率和稳定性

此后，研究团队通过采用一种分子锁定策略，使用多齿螯合配位的绿色生物材料DDPUD来稳定钙钛矿太阳能电池顶层界面。这项研究成功地通过化学锚定未配位的Pb2+离子、卤素空位和/或I-Pb反位点缺陷，从而大幅度降低界面缺陷、增加载流子寿命、释放界面应力并提升抗湿性。通过巧妙的多齿螯合配体络合效应，团队成员不仅提高了钙钛矿光伏电池顶层界面的稳定性，还有效地抑制了界面非辐射复合，为钙钛矿太阳能电池提供了一种在常温空气中制备>24%高效率电池器件的新途径。（Adv. Mater., 2024, 2312679.）

论文5在线链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202312679

研究工作6：阴/阳离子协同工程抑制离子迁移实现超过20%的钙钛矿光伏模组

在以上研究的基础上，团队成员进一步通过阴离子和阳离子协同工程抑制钙钛矿太阳能电池内部离子迁移，从而实现了高性能反式结构钙钛矿太阳能电池，其中0.1 cm2小面积器件实现25.03%(certified 24.65%)，63.74 cm2大面积组件20.58%。该研究的创新之处在于通过选择理想的有机盐分子三氟乙酸二甲铵（DMATFA），利用其阳离子二甲铵（DMA+）和阴离子三氟乙酸根（TFA-）的双重作用，有效地对钙钛矿薄膜表面带电缺陷进行了精准调控，实现了对缺陷的有效管理。DMA+能够促使过剩的PbI2转变为稳定的DMAPbI3新相，抑制了PbI2的光解以及离子迁移；同时，TFA-通过钝化未配位的Pb2+和/或碘空位来抑制碘离子的迁移。这一双重稳定机制不仅显著提高了电池效率，同时也大幅度提升了器件的光照和环境湿度稳定性，使得DMATFA调控的钙钛矿太阳能电池在最大功率点持续跟踪1520小时后能够维持其原始效率的91%。这项研究的意义在于为钙钛矿太阳能电池在克服离子迁移导致的内在不稳定性提供了新的思路，通过精确的材料工程和界面设计，实现了高效率和高稳定性的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的开发。这不仅推动了钙钛矿太阳能电池技术的进步，也为其商业化应用奠定了基础。此项成果不仅展示了材料科学和界面工程在提高太阳能电池性能中的重要作用，也为未来的高效率、大面积可商业化的钙钛矿光伏技术提供了重要的研究方向和实验数据支持。论文的第一作者为我院2023级博士研究生张左林。（Advanced Materials, 2024, 2313860.）

论文6在线链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202313860

在以上系列工作中，陈聪教授及其合作者（来自澳门科技大学、昆明理工大学、重庆大学、天津理工大学等单位）提出了一系列协同调控功能性基团和钝化分子空间构象来管理晶体缺陷和界面载流子动力学的策略，最终实现超过25%效率的钙钛矿光伏电池。上述研究不仅展示了通过晶体缺陷调控和界面工程优化钙钛矿光伏器件性能的潜力，而且还重点阐述了在设计和开发新型钙钛矿太阳能电池材料和工艺时，钝化剂分子和添加剂铵盐的功能性基团和分子空间构象对协同调控实现高效钙钛矿光伏电池器件的重要性。

以上的系列研究将有望推动钙钛矿光伏技术向更高效率和更好稳定性的目标迈进，为未来的光伏技术发展提供重要的借鉴和启示。

团队介绍：

层状材料与器件团队负责人为郑士建教授（中科院百人，海外高层次人才，天津市创新类领军人才）。团队现有科研人员22人，其中教授4人，副教授10人，讲师2人，师资博士后6人。团队曾获首批“河北省高校黄大年式教师团队”等荣誉。

团队研究方向介绍：

层状材料与器件团队致力于材料的层状复合以及器件的层状构筑研究。团队借助球差校正透射电子显微镜等尖端设备和机器学习等先进方法，在原子尺度下揭示界面结构与性能间的构效关系，建立变革性的层状材料及器件设计理论，攻克材料与器件应用技术难题，引领相关领域的基础和应用研究。主要研究对象包含层状复合高强韧金属结构材料、二次离子电池、太阳能电池、燃料电池等，主要服务于新材料和新能源领域。

研究成果通讯作者简介：

陈聪，教授，博导。研究方向为半导体集成器件，主要包括半导体光电材料与器件（新型太阳能电池、NIR光电探测器及成像技术等）、第三代半导体功率器件以及钝化技术等。获批2021年度“澳门青年学者计划”、2023山东省泰山产业领军人才项目（创新领军人才）资助。目前以项目负责人承担国家自然科学基金、中央引导地方发展专项资金、河北省自然科学基金等项目十余项，作为课题负责人承担国家自然科学基金区域联合基金重点项目。曾获吉林大学力旺精英奖、宝钢奖学金“特等奖”、河北工业大学首届“我心目中的十佳好导师”等。

图文：层状材料与器件团队

审核：夏兴川、张雪莹