基于有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化物混合鈣鈦礦的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和更低的加工成本，已成為一種很有前途的發(fā)電技術(shù)。在過(guò)去的十年中，功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）迅速提高至25%以上，其中鈣鈦礦材料和空穴傳輸層（HTL）界面處的高效電荷提取和低非輻射復(fù)合是實(shí)現(xiàn)出色光伏（PV）性能的關(guān)鍵。2023年1月20日，華中科技大學(xué)李雄教授、榮耀光副教授，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel教授采用了一種分子工程策略，在混合陽(yáng)離子鈣鈦礦中引入了一種具有膦酸官能化富勒烯衍生物作為晶界調(diào)節(jié)劑，實(shí)現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)的鞏固，同時(shí)系統(tǒng)研究了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中光吸收層、空穴傳輸層和器件界面的性能退化機(jī)制。相關(guān)文章以“Radical polymeric p-doping and grain modulation for stable, efficient perovskite solar modules”為題發(fā)表在Science。2023年2月9日，華中科技大學(xué)李雄教授、榮耀光副教授，加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授和武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授等人通過(guò)在3D鈣鈦礦層的頂部引入交聯(lián)聚合物（CLP），然后通過(guò)蒸汽輔助兩步工藝沉積2D鈣鈦礦層，形成3D/CLP/2D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)，CLP通過(guò)抑制陽(yáng)離子在2D和3D鈣鈦礦之間的擴(kuò)散來(lái)穩(wěn)定異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而報(bào)道了效率為21.2%的小面積器件和效率為19.6%的微型模塊，其在最大功率點(diǎn)跟蹤和高溫單日照照明下，器件在運(yùn)行4390小時(shí)后仍能保持90%的初始性能。相關(guān)文章以“Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance”為題發(fā)表在Nature Energy。2023年4月18日，華中科技大學(xué)李雄教授，瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)Michael Gr?tzel教授和沈重金教授又一次在Nature Energy以題為“Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance”闡述了一種具有雙功能分子用作鈣鈦礦和HTM之間的界面層，提供界面缺陷鈍化以實(shí)現(xiàn)界面的化學(xué)相容性，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備性能大幅度提高。
主要內(nèi)容在此，華中科技大學(xué)李雄教授，瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)Michael Gr?tzel教授和沈重金設(shè)計(jì)了一種含有咔唑-三苯胺和苯基碘化銨單元的雙功能分子CBz-PAI，以鈍化鈣鈦礦/HTL界面上的缺陷。由于與鈣鈦礦具有良好的能級(jí)對(duì)齊性，CBz-PAI充當(dāng)鈣鈦礦層和HTL之間的空穴穿梭，這使鈣鈦礦的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂或“內(nèi)部”Voc和外部器件Voc之間的偏差最小化，從而減少了電壓損失。結(jié)果顯示，采用CBz-PAI的太陽(yáng)能電池在潮濕功率試驗(yàn)（85℃和85%相對(duì)濕度）1000h后達(dá)到穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換效率24.7%，保持初始效率的92.3%，在最大功率點(diǎn)跟蹤條件下1100h后保持初始效率的94.6%。相關(guān)文章以“Bifunctional hole-shuttle molecule for improved interfacial energy level alignment and defect passivation in perovskite solar cells”為題發(fā)表在Nature Energy。作者巧妙地設(shè)計(jì)并合成了一種同時(shí)具有卡唑-三苯胺（CBz）和苯基碘化銨分子片段（PAI）的雙功能有機(jī)半導(dǎo)體小分子CBz-PAI。其中PAI單元充當(dāng)有效的缺陷鈍化劑，而甲氧基取代的三苯胺的共軛結(jié)構(gòu)與螺-OMeTAD層高度相容，可實(shí)現(xiàn)從鈣鈦礦到HTL層的出色空穴轉(zhuǎn)移或空穴穿梭。由于HOMO能級(jí)通過(guò)CBz單元的共軛結(jié)構(gòu)得到了很好的調(diào)節(jié)，因此CBz-PAI與鈣鈦礦層表現(xiàn)出非常小的價(jià)帶邊緣/HOMO能級(jí)錯(cuò)位（40 meV），電壓損耗最小化，同時(shí)高效的空穴穿梭機(jī)制使其實(shí)現(xiàn)了較低的串聯(lián)電阻。圖1.?CBz-PAI分子的合成及表征圖2.?經(jīng)過(guò)和不經(jīng)過(guò)CBz-PAI處理的鈣鈦礦薄膜的表征圖3.?控制和目標(biāo)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光伏性能圖4.?光電性能表征圖5.?控制裝置（PEAI作為鈍化器）和目標(biāo)裝置（CBz-PAI）PSC裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試綜上所述，本文開(kāi)發(fā)了一種具有CBz單元和PAI兩個(gè)官能團(tuán)的雙功能分子CBz-PAI，并用作鈣鈦礦和HTM之間的界面層，其作用是提供界面缺陷鈍化，鈣鈦礦價(jià)帶與空穴導(dǎo)體價(jià)帶之間的能級(jí)錯(cuò)位容忍度以及與HTL的化學(xué)相容性，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備性能大幅度提高。這項(xiàng)工作揭示了由于這種能級(jí)對(duì)齊而導(dǎo)致的這些最小電壓損失背后的機(jī)制，通過(guò)詳細(xì)的光電器件表征得到了漂移擴(kuò)散仿真的證實(shí)。由于其雙功能性，PSC器件在模擬空氣質(zhì)量（AM）1.5G照明下實(shí)現(xiàn)了24.7%的PCE。值得注意的是，非封裝的CBz-PAI基PSC器件表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在最大功率點(diǎn)（MPP）跟蹤條件下，測(cè)量1100 h后保留了94.6%的初始PCE。作者介紹李雄，現(xiàn)任華中科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)人才工程青年項(xiàng)目入選者，湖北省人才工程青年項(xiàng)目入選者，武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室格蘭澤爾介觀太陽(yáng)能電池研究中心成員，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院理學(xué)博士，2013-2017年瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)（EPFL）博士后，博后合作導(dǎo)師為歐洲科學(xué)院院士、洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)化學(xué)系Michael Gr?tzel教授。李雄博士于2017年7月回國(guó)，在基于染料和鈣鈦礦材料的光伏器件研究方面積累了豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)新型太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中所面臨的光電轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定性和制備成本等三項(xiàng)重要技術(shù)問(wèn)題，李雄博士從分子設(shè)計(jì)、材料合成、界面修飾、器件優(yōu)化、機(jī)理分析等角度對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行了全面深入地探索并取得一系列重要研究成果：以第一作者/共同一作或通訊作者在Science（2篇）、Nature Chem.（1篇）、Nature Commu.等SCI期刊上發(fā)表21篇學(xué)術(shù)論文；以共同作者在Nature Energy、Nature Communications等雜志上參與發(fā)表30篇論文；已申請(qǐng)2項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利、3項(xiàng)歐洲專(zhuān)利及6項(xiàng)中國(guó)專(zhuān)利。論文SCI引用率超過(guò)5000次。來(lái)源：
文獻(xiàn)信息1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.add87862.Luo, L., Zeng, H., Wang, Z.?et al.?Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance.?Nat Energy?8, 294–303 (2023).https://doi.org/10.1038/s41560-023-01205-y3.You, S., Eickemeyer, F.T., Gao, J. et al. Bifunctional hole-shuttle molecule for improved interfacial energy level alignment and defect passivation in perovskite solar cells. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01249-0
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