2025-08-04 | 科研部 南科大许宗祥团队在钙钛矿光伏研究领域取得系列进展

近期，南方科技大学理学院化学系教授许宗祥团队在钙钛矿光伏领域取得系列研究进展，在化学和材料、能源领域高水平期刊Nature Communications、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials发表多篇学术论文。

创新提出“柔性端基-刚性连接基团”协同优化策略

钙钛矿材料具有优异的光电特性，例如高光吸收系数、长载流子扩散长度等。在光伏领域的应用方面，实验室器件效率（单结）已突破27%，且超越了晶硅电池的光电转化水平。相较于传统薄膜电池，展现出颠覆性的替代潜力。其高效率、低成本特性可加速光伏发电平价上网进程，为全球碳中和目标提供更高效、更经济的清洁能源解决方案，有助于提升可再生能源使用率占比。进一步寻找新的SAMs设计方法是钙钛矿光伏领域的重要课题，许宗祥课题组在近期研究工作中已设计开发多个新型自组装（SAM）空穴传输材料，并有效提升钙钛矿光伏器件效率和稳定性。

近期，课题组联合合作团队在SAM材料端基设计领域取得重要突破，创新性地提出“柔性端基-刚性连接基团”协同优化策略。研究团队以(4-(二苯氨基)苯基)膦酸（PATPA）为模型分子开展系统研究，结果表明相较于传统咔唑基材料(4-(9H-咔唑-9-基)-苯基)膦酸（PhpPACz）和苯乙基衍生物(4-(二苯氨基)苯乙基)-膦酸（2PATPA），该新型分子（PATPA）设计能显著提升钙钛矿薄膜的质量，显著增强能级匹配、提升空穴提取效率以及提高电荷传输通道的效率，有效抑制了非辐射复合损耗。

图 1.SAM分子设计及钙钛矿器件性能

基于此设计的器件在小面积器件（0.0715 cm²）和大面积器件（1 cm²）上分别实现了26.21%和24.49%的光电转换效率，验证了该策略的普适性（图 1）。本研究不仅建立了SAM分子设计的系统方法论，更为钙钛矿太阳能电池的界面工程提供了兼顾效率与稳定性的创新解决方案，对推动钙钛矿光伏技术的产业化具有重要指导价值。

该研究成果发表于Nature Communications。香港城市大学博士后曲歌平（原南科大-哈工大联培博士生）、香港大学博士后乔颖（原南科大博士生），南科大-港大联培博士生蔡思源为该论文的共同第一作者，共同通讯作者包括香港城市大学任广禹教授、曲歌平博士、河南大学陈石教授、南科大许宗祥教授。

 创新工艺解决无反溶剂制备过程的结晶缺陷

图 2. 溶剂工程和钙钛矿光伏器件性能

传统PSCs钙钛矿薄膜的制备长期依赖以二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和氯苯为代表的有毒溶剂体系反溶剂工艺。随着绿色制造理念的深入发展，这一状况正逐步被更具可持续且经济可行的方案所替代。许宗祥团队创新提出“低毒溶剂体系构建-器件性能协同优化”的核心策略，研发出一步法无反溶剂制备工艺，研究人员采用N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）与N,N'-二甲基丙烯脲（DMPU）的复合溶剂体系替代传统DMF/NMP组合，并选用乙醇作为绿色环保的空穴传输层溶剂。然而，在无反溶剂制备过程中，甲脒（FA）基钙钛矿薄膜的埋底界面常面临严峻挑战。由于缺乏快速溶剂移除机制，该区域易形成严重的结晶缺陷，进而导致未配位的Pb²⁺离子等深能级缺陷浓度显著升高。针对这一关键科学问题，研究团队提出“混合溶剂工程协同自由基稳定化”的创新策略，通过将DMAc/DMPU复合溶剂与含氯、甲氧基或甲硫基的稳定自由基添加剂进行精准匹配，实现结晶动力学的精准调控，有效降低了缺陷浓度并大幅提升了载流子提取效率。基于该工艺制备的器件不仅达成了25.02%的光电转换率，更展现出卓越的运行稳定性（图2）。此项突破性进展为可持续光伏技术的发展开辟了新路径，对推动钙钛矿太阳能电池的绿色制造与产业化应用具有重要战略价值。

相关研究成果发表于Advanced Energy Materials。南科大-哈工大联培博士生谢鹏飞、博士生丁远家，西北师范大学化学化工学院讲师肖辉（原南科大许宗祥课题组博士后）为该论文的共同第一作者，共同通讯作者为香港城市大学博士后曲歌平（原南科大-哈工大联培博士生）和许宗祥教授。

引入酞菁衍生物实现对钙钛矿结晶过程的调控与缺陷钝化

图 3. 酞菁钝化剂及器件性能

钝化剂工程作为提高钙钛矿光伏器件效率和稳定性的关键技术策略，具有重要意义。许宗祥团队近年来开发出多种酞菁基钝化剂，有效实现高性能钙钛矿光伏器件。团队与土耳其合作者创新性地向钙钛矿前驱体溶液中引入了一种具有多重结合位点的酞菁衍生物——四-2-(苄氧基)乙氧基取代锌(II)酞菁（BE-ZnPc），通过精准掺杂机制，实现了对钙钛矿结晶过程的调控与缺陷钝化。该分子凭借独特的平面大环结构及优异的供电子特性，能够有效锚定配位不足的Pb²⁺离子，显著降低薄膜缺陷密度并优化其结晶质量。实验结果表明，经BE-ZnPc优化的钙钛矿太阳能电池功率转换效率达到了26%（经第三方机构认证效率达26.05%），刷新了此类器件性能的新纪录。更为突出的是，在最大功率点连续运行550小时后，器件效率仍能保持初始值的92%，展现出卓越的运行稳定性（图3）。此项研究不仅为提高钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性提供了创新性解决方案，更为该领域的技术革新指明了方向。

相关研究成果发表于Advanced Functional Materials。南科大为论文第一单位，许宗祥课题组博士生丁远家、谢鹏飞为该论文的共同第一作者，共同通讯作者为香港城市大学博士后曲歌平（原南科大-哈工大联培博士生），土耳其萨卡里亚大学Emre Güzel教授和许宗祥教授。

以上研究得到了国家自然科学基金委面上项目、广东省科技厅基础与应用基础研究重大项目、深圳市科创局高校稳定支持计划和面上项目基金，以及南方科技大学公共分析测试中心和深圳市摩乐新能源科技有限责任公司的大力支持。

论文链接：

Nature Communications: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62388-4

Advanced Energy Materials: https://doi.org/10.1002/aenm.202500410

Advanced Functional Materials: https://doi.org/10.1002/adfm.202425443

供稿：理学院

通讯员：陈艺晴

主图：丘妍

编辑：任奕霏