《Advanced Materials》刊发材料科学与工程学院层状材料与器件团队陈聪教授等人最新研究成果

2024年11月17日，国际材料领域顶级期刊《Advanced Materials》刊发了材料科学与工程学院层状材料与器件团队陈聪教授及其合作者的研究成果，论文题目为" Synergistic Modulation of Orientation and Steric Hindrance Induced by Alkyl Chain Length in Ammonium Salt Passivator Toward High-performance Inverted Perovskite Solar Cells and Modules"（烷基链长度对铵盐钝化剂分子取向与空间位阻的协同调控及其在高效反式钙钛矿太阳能电池与组件中的应用）。我校为该论文的第一完成单位和通讯单位，合作单位包括巴黎文理研究大学和澳门科技大学等。

研究背景

钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术，因其高效率、低成本和制备工艺灵活性而备受关注。其优异的光电性能和材料可调性使其在光伏领域表现出巨大潜力，为解决能源危机和助力实现碳中和目标提供了重要技术支撑。钙钛矿电池不仅可推动能源结构向清洁可再生方向转型，还因其低能耗和低碳排放优势，被视为实现双碳战略的核心支柱之一。同时，其在柔性设备、建筑光伏一体化等领域的广泛应用，为未来能源技术创新和绿色发展注入新的动力。

目前的钙钛矿太阳能电池虽已实现超过26%的光电转换效率，但仍远低于理论极限，主要原因在于薄膜中的界面缺陷和非辐射复合问题，严重影响其效率和操作稳定性。钙钛矿材料的晶体结构中往往存在大量缺陷，如表面缺陷和晶界缺陷，这些缺陷会产生陷阱态，导致光生载流子的非辐射复合，从而显著降低太阳能电池的效率与稳定性。近年来，有机铵盐被广泛用于钝化钙钛矿薄膜表面缺陷以缓解陷阱态辅助的非辐射复合。然而，铵盐分子中烷基链长对分子取向和空间位阻的影响仍有待进一步研究。

工作介绍

针对表面缺陷和非辐射复合限制性能和稳定性的问题，提出了一种创新的界面工程方法。利用不同烷基链长度的有机铵盐，研究了其对分子取向和空间位阻的协同调控作用，从而实现对钙钛矿薄膜表面缺陷的优化钝化。研究表明，最佳烷基链长度的非氟化铵盐不仅增强了与表面缺陷的化学相互作用，同时避免了过长链引起的空间位阻问题，从而实现了更高效的缺陷钝化和带隙对齐。通过这种方法，开发出效率高达25.79%（第三方机构认证效率25.12%）的反式PSC及组件，并具备优异的运行稳定性。

图1不同烷基链长的铵盐钝化剂与钙钛矿相互作用的理论研究

关键创新点：系统研究了烷基链长度对铵盐分子取向及缺陷钝化效果的影响。提出了基于分子取向和空间位阻协同调控实现最优钝化的设计思路。通过真空闪蒸技术条件下，研究人员在室温环境中成功实现了钙钛矿电池25.79%的光电转换效率。未来，该研究成果在高效稳定太阳能电池的工业化应用中具有广阔的前景，并为界面工程提供了新的理论和技术支持，有望进一步推动钙钛矿光伏器件的性能优化和大规模生产。

图2 铵盐钝化剂对钙钛矿太阳能电池性能和特性的影响

第一作者简介：

高雯欢，本科毕业于河北科技大学，现为材料科学与工程学院2022届硕士研究生，指导教师为陈聪教授，研究方向为新型太阳能电池及光电探测器。截止目前已经在Nano Energy、Advanced Materials等高水平期刊发表学术论文3篇（Nano Energy 2024, 128, 109904；Adv. Mater. 2024, 2413304；etc.），并多次荣获研究生一等学业奖学金及研究生国家奖学金等荣誉。

通讯作者简介：

陈聪，教授，博导。研究方向为光伏与光电子集成器件。获批2021年度“澳门青年学者计划”、2023年 山东省泰山产业领军人才（创新领军人才）项目资助。主持国家自然科学基金（面上、青年）、河北省自然科学基金（重点、概念验证、青年）、中央引导地方发展专项资金等项目20余项，作为课题负责人承担国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目、天津市自然基金重点项目等。目前担任河北省光电功能晶体材料工程实验室主任。

文章链接：

Adv. Mater. 2024, 2413304. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413304

图文：层状材料与器件团队

审核：夏兴川