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近年來(lái)，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池（PSCs）以其優(yōu)異的光電特性和低廉的生產(chǎn)成本在光伏領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。隨著器件結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、電荷傳輸層等方面的不斷進(jìn)步，PSC的光伏效率自2009年首次亮相以來(lái)已飆升至25.7%，可與成熟開(kāi)發(fā)的薄膜和硅基太陽(yáng)能電池相媲美。但是鈣鈦礦電池在空氣中的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性問(wèn)題和層與層之間的表面缺陷大大限制了鈣鈦礦電池的商業(yè)化，為了促進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員與劉暢副研究員等人通過(guò)界面工程（Adv. Energy Mater. 2021, 11, 39; Infomat 2021, 3, 1431）和新型二維材料設(shè)計(jì)（Nano Energy 2022, 93, 106800）等手段，大幅度提升了鈣鈦礦光伏器件效率和穩(wěn)定性。

SnO2表面的氧空位和陷阱態(tài)是制約器件效率的重要因素之一，對(duì)此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了具有高結(jié)構(gòu)靈活性的n型共軛小分子鈍化SnO2表面缺陷，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成膜和有序分子堆積，從而提高SnO2表面的鈍化效果。為了進(jìn)一步嘗試調(diào)整有機(jī)鈍化劑的聚集和分子堆積，并深入研究它們與SnO2/鈣鈦礦界面處電荷傳輸/重組動(dòng)力學(xué)的相關(guān)性，團(tuán)隊(duì)通過(guò)側(cè)鏈工程設(shè)計(jì)出Y系列衍生物（BTAC4）。4-苯基丁基連接在苯并三唑核上，作為增加空間位阻并進(jìn)一步降低自聚集程度的一種手段可提高小分子的成膜能力。此外，與支鏈烷基側(cè)鏈相比，線性側(cè)鏈可能會(huì)導(dǎo)致主鏈緊密堆積。通過(guò)平行研究SnO2/Y6/鈣鈦礦和SnO2/BTAC4/鈣鈦礦界面的光電特性，發(fā)現(xiàn)小分子的更緊湊和規(guī)則的堆疊產(chǎn)生了更有利的界面特性、較低的陷阱態(tài)、更高的電子傳導(dǎo)/提取效率，并抑制電荷復(fù)合。最終，基于BTAC4有機(jī)鈍化劑的PSC實(shí)現(xiàn)了超過(guò)23%的優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換效率，以及1.252V的高開(kāi)路電壓，這是迄今為止基于CsFAMA鈣鈦礦體系報(bào)告的最高開(kāi)路電壓值。未封裝的器件在35%濕度下儲(chǔ)存768小時(shí)后仍保持90%的初始功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），從而顯示出出色的穩(wěn)定性。研究成果以“π-Conjugated Small Molecules Modified SnO2 Layer for Perovskite Solar Cells with over 23% Efficiency”為題，發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Energy Materials上（DOI: 10.1002/aenm.202101416）。原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202101416。

CsPbI2Br的帶隙可以通過(guò)改變Br/I比進(jìn)行微調(diào)，這使得它成為構(gòu)建串聯(lián)太陽(yáng)能電池的理想選擇。然而，在潮濕環(huán)境下，無(wú)機(jī)PSC的發(fā)展仍然面臨著嚴(yán)重的相穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。先前的報(bào)告已經(jīng)揭示，水分暴露很容易觸發(fā)CsPbI1-xBrx從光活性α相到黃色δ相的相變，因?yàn)樗謱?dǎo)致共角八面體[PbI6]4-的畸變，并增加鈣鈦礦晶粒之間的缺陷誘導(dǎo)局部應(yīng)力。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種共軛p型小分子與無(wú)機(jī)鈣鈦礦表面相互作用，這對(duì)器件性能產(chǎn)生了雙重作用。一方面，來(lái)自小分子O和S的孤對(duì)電子可以與來(lái)自鈣鈦礦的未配位Pb形成共價(jià)鍵，大幅降低陷阱態(tài)，并在鈣鈦礦晶粒處釋放缺陷誘導(dǎo)的微應(yīng)變。另一方面，在小分子的退火過(guò)程中，它可以誘導(dǎo)無(wú)機(jī)鈣鈦礦晶體的二次生長(zhǎng)，從而使鈣鈦礦薄膜的形貌細(xì)化，結(jié)晶度提高。這些協(xié)同效應(yīng)使無(wú)機(jī)鈣鈦礦薄膜在潮濕條件下具有更高的相穩(wěn)定性。因此，經(jīng)小分子處理的基于CsPbI2Br的PSC實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的16.25%的PCE，可與迄今為止最先進(jìn)的CsPbI2Br鈣鈦礦器件媲美。更值得注意的是，該裝置在室溫（相對(duì)濕度為25%）下老化500小時(shí)，仍可保持80%的初始PCE，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的水分穩(wěn)定性。該工作在InfoMat上以題為“Improved phase stability of CsPbI2Br perovskite by released microstrain towards highly efficient and stable solar cells”在線發(fā)表（DOI: 10.1002/inf2.12246），原文鏈接：https://doi.org/10.1002/inf2.12246。

傳統(tǒng)3D鈣鈦礦在濕氣環(huán)境中極易分解，嚴(yán)重限制光伏器件實(shí)際應(yīng)用。二維鈣鈦礦較三維材料具有優(yōu)異的濕度及光照穩(wěn)定性，近幾年被廣泛研究。然而，二維鈣鈦礦絕緣有機(jī)中間層與鈣鈦礦無(wú)機(jī)層間具有差異較大的介電常數(shù)，導(dǎo)致材料激子結(jié)合能大、載流子傳輸受阻，使2D鈣鈦礦器件光伏性能遠(yuǎn)低于3D器件。為從材料本質(zhì)上克服上述缺陷，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種D-A-D（D：電子給體；A：電子受體）型強(qiáng)共軛有機(jī)中間層結(jié)構(gòu)，通過(guò)D、A間內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)降低有機(jī)中間層能帶帶隙，弱化量子阱限域效應(yīng)，使2D鈣鈦礦的光電性能與3D結(jié)構(gòu)相似，有助于提高激子分離與載流子傳輸性能，實(shí)現(xiàn)2D鈣鈦礦器件效率突破18%，為目前低維（n≤4）鈣鈦礦器件的最高效率之一，并且器件在濕氣環(huán)境中老化1000小時(shí)衰減小于5%，表現(xiàn)出優(yōu)異的濕度穩(wěn)定性。通過(guò)相關(guān)工作的開(kāi)展，團(tuán)隊(duì)解決了2D鈣鈦礦存在的本征光電性能缺陷，并拓寬了2D鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)范圍。研究成果以“Donor-Acceptor-Donor Type Organic Spacer for Regulating the Quantum Wells of Dion-Jacobson 2D Perovskites”為題，發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Nano Energy上(DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106800)，原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521010491。

上述工作獲得了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專(zhuān)項(xiàng)）、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等支持。

原標(biāo)題：寧波材料所在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池方面取得系列進(jìn)展