10 月 19 日消息，近年來(lái)鈣鈦礦材料在光伏領(lǐng)域的潛力不斷被人們發(fā)掘，單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率屢創(chuàng)新高。

為進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心李永舫、孟磊團(tuán)隊(duì)與德國(guó)波茨坦大學(xué) Felix Lang 教授等合作，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)路電壓 1.36 V、光電轉(zhuǎn)化效率大于 18% 的寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（開(kāi)路電壓的提升是提高鈣鈦礦、有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵因素）。

團(tuán)隊(duì)將寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)合構(gòu)建了鈣鈦礦、有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了 26.4% 的光電轉(zhuǎn)化效率（經(jīng)第三方認(rèn)證為 25.7%）。

▲ 圖 1c 即鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖以及掃描電鏡截面圖

該成果為目前這類疊層太陽(yáng)能電池的最高效率，為寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池降低電壓損失提供了全新思路，將有力促進(jìn)鈣鈦礦、有機(jī)疊層太陽(yáng)電池的發(fā)展。查詢發(fā)現(xiàn)，相關(guān)成果已于 10 月 14 日發(fā)表在《自然》正刊上（DOI:10.1038 / s41586-024-08160-y）。

據(jù)官方介紹，相較于其他種類的疊層太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦 / 有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池作為一種新興技術(shù)而備受關(guān)注。在鈣鈦礦 / 有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池中，采用寬帶隙鈣鈦礦材料作為頂電池吸收短波長(zhǎng)太陽(yáng)光，采用窄帶隙有機(jī)活性層作為底電池吸收近紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)太陽(yáng)光，大幅拓寬可利用太陽(yáng)光譜范圍并降低能量損失。同時(shí)，鈣鈦礦子電池可以過(guò)濾高能量光子以保護(hù)有機(jī)活性層、防止其光降解；有機(jī)子電池可以作為封裝層隔絕水氧，提升環(huán)境穩(wěn)定性，同時(shí)疊層太陽(yáng)能電池的中間透明電極層還可以緩解鈣鈦礦頂電池負(fù)極處離子擴(kuò)散等問(wèn)題，從而使鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性優(yōu)于單結(jié)鈣鈦礦和單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池。另外，鈣鈦礦 / 有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池也保留了可溶液制備太陽(yáng)能電池的本征優(yōu)勢(shì)。

在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，寬帶隙鈣鈦礦吸光層與 C60 電子傳輸層界面處經(jīng)常存在嚴(yán)重的界面復(fù)合，表面態(tài)誘導(dǎo)的導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)會(huì)造成電壓損失。為降低界面處的電壓損失從而提升太陽(yáng)能電池效率，鈍化寬帶隙鈣鈦礦吸光層與 C60 電子傳輸層的界面是一種有效的策略。

李永舫 / 孟磊團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)鈣鈦礦 / 有機(jī)疊層太陽(yáng)電池進(jìn)行了深入研究。他們研究了具有順?lè)串悩?gòu)特性的 1,4-環(huán)己二胺分子對(duì)于寬帶隙鈣鈦礦表面的鈍化機(jī)制（圖 1a），系統(tǒng)性地揭示了兩種順?lè)串悩?gòu)的鈍化劑分子所導(dǎo)致的鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)差異，最終篩選出擁有優(yōu)勢(shì)構(gòu)型的順式鈍化分子（cis-CyDAI2）。結(jié)合理論計(jì)算與 X 射線研究了順?lè)磧煞N鈍化劑分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)差異，通過(guò)研究不同鈍化分子處理的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，提取得到了相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（圖 1b），發(fā)現(xiàn) cis-CyDAI2 處理的鈣鈦礦薄膜有更高的理論開(kāi)路電壓。

進(jìn)一步地，他們通過(guò)紫外光電子能譜與表面開(kāi)爾文力顯微鏡等測(cè)試手段發(fā)現(xiàn)，cis-CyDAI2 會(huì)導(dǎo)致寬帶隙鈣鈦礦表面費(fèi)米能級(jí)上升，削弱表面釘扎效應(yīng)，與電子傳輸層有更好的接觸。最終在具有 1.88 eV 帶隙的寬帶隙鈣鈦礦單結(jié)電池中獲得了 1.36 V 的開(kāi)路電壓與 18.4% 的光電轉(zhuǎn)換效率。該策略為寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池降低電壓損失提供了全新思路。