2024-09-11 | 科研部 南科大 Aung Ko Ko Kyaw、罗光富团队开发新型界面修饰技术提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性
近日，南方科技大学电子与电气工程系 Aung Ko Ko Kyaw 副教授与材料科学与工程系罗光富副教授科研团队合作开发新型界面修饰技术，提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。相关成果以 “Uniform Molecular Adsorption Energy-Driven Homogeneous Crystallization and Dual-Interface Modification for High Efficiency and Thermal Stability in Inverted Perovskite Solar Cells”为题，发表在学术期刊《先进功能材料》上。
随着可持续能源需求的日益增加和全球人口的增长，人们对电力的需求也在不断增加。光伏技术（PV），即能将阳光直接转化为电能的技术，正处于这场能源革命的前沿，有望应对气候变化和实现碳中和目标。在众多光伏技术中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）被认为是最有前途的光伏器件之一，可能带来能源格局的新突破。
近年来，钙钛矿材料展现出独特特性——通过调整化学成分，能够精确调节其带隙。这种多样性使得研究团队可以针对特定的太阳光谱对 PSCs 进行优化，从而提高整体效率。与传统的硅基太阳能电池不同，钙钛矿可以通过溶液法制造，操作简便、成本低廉，为规模化生产打下基础。这些优势使得钙钛矿太阳能电池在性能、可扩展性和经济可行性等方面皆具吸引力。尽管钙钛矿太阳能电池的相关研究取得了不错的进展，但其效率仍然低于单结太阳能电池的理论最大效率（Shockley-Queisser (S-Q) 极限）。为此，研究人员正努力解决电荷复合、非辐射损失已经缺陷等技术问题。此外，钙钛矿太阳能电池的长期稳定性仍然是一个巨大的挑战，钙钛矿材料容易在湿度、光线和热量等环境条件下退化。因此，开发耐久性、耐湿性和耐热性的钙钛矿太阳能电池的需求仍在增加。
Aung Ko Ko Kyaw 副教授与罗光富副教授团队的研究提出了一种新型的双界面修饰策略，显著提高了钙钛矿太阳能电池的效率和热稳定性。通过战略性地修饰混合阳离子钙钛矿（Cs0.05FA0.85MA0.10Pb(I0.93Br0.07)3）薄膜的表、底界面，团队首次使用5-氨基吡啶-2-羧酸（APC）作为空穴传输层 poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine]（PTAA）和钙钛矿层之间的下界面修饰层。该层作为钙钛矿埋底界面，不仅缓解了晶格失配问题，促进了均质结晶并释放了残余应力，同时钝化了空位缺陷，为提高电池性能奠定了基础。同时，研究团队还在C60电子传输层与钙钛矿之间应用了一种铵盐——2-噻吩乙胺氯化物（TEACl）作为顶部界面修饰层，不仅钝化了表面和晶界的缺陷，并对于优化能级匹配，降低界面驱动的能量损失，提高了整体光电转化效率发挥了重要作用。
图1 基于APC埋底界面的钙钛矿结晶质量的提升和残余应力释放的性能对比
通过这一双界面修饰策略，研究团队实现了基于 NiOx/PTAA 空穴传输层的反式（p-i-n）钙钛矿太阳能电池的24.87%光电转换效率（PCE）记录。更引人注目的是，未封装的电池在85°C老化1200小时后仍保持了初始 PCE 的90%以上。温度依赖的电导率测量和 Nernst-Einstein 关系表明，经过双界面修饰的钙钛矿薄膜具有较高的离子迁移活化能（Ea），抑制了离子迁移并延缓热降解过程。研究结果充分证明了该策略在提高效率和稳定性方面的重要影响，对于钙钛矿太阳能技术商业化有重要推进作用。
图2 基于APC底层界面修饰和TEACl顶层表面改性的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率以及长期稳定性的性能对比
研究团队还通过密度泛函理论（DFT）分析提供了一个理论框架，用于解释 APC 分子在吸附过程中的优选取向及其在钝化中的关键作用。研究表明，APC 分子的水平取向在能量上更为有利，能够实现钙钛矿薄膜的均匀结晶且无残余应力。此外，APC 倾向于将其羧基功能基团插入碘空位，从而消除浅缺陷态。APC 的平面结构也与钙钛矿表面紧密结合，其吸附能量比不规则形状的 PTAA 与钙钛矿表面的吸附能量更高。
图3 基于第一性原理计算的APC面向钙钛矿的不同吸附取向的对比：APC的水平吸附更易钝化钙钛矿碘空位缺陷，并诱导钙钛矿均匀结晶
综上所述，该研究提出了一种有效的钝化和消除残余应力的双界面修饰策略，对于深入理解钙钛矿表面与分子钝化剂之间的相互作用提供了理论框架支持。
南方科技大学博士研究生徐晓伟为论文第一作者，Aung Ko Ko Kyaw、罗光富为论文共同通讯作者。硕士研究生杜青昊、康昊龙参与了理论计算部分研究，博士研究生顾晓宇、单成伟等参与了测试表征等研究。南方科技大学徐保民教授、国家纳米中心周二军研究员分别提供了瞬态光谱以及 GIWAXS 技术支持。南方科技大学为论文第一单位。此外，该研究工作得到国家自然科学基金重点项目、广东省计算科学与材料设计重点实验室项目、深圳市科技创新委员会、南方科技大学超算中心及南方科技大学分析测试中心等的支持。
论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202408512
供稿：电子与电气工程系
通讯员：胡卓欣
主图：丘妍
编辑：曾昱雯
返回上级