鹵素鈣鈦礦太陽能電池是目前公認最具前景的第三代光伏技術，為太陽能電池產業的變革性發展帶來了廣闊空間。近年來鹵素鈣鈦礦電池效率不斷提升，但距離其理論極限仍有差距，因此如何提高鈣鈦礦太陽能電池效率是目前產業界和學術界關注的焦點。
針對鈣鈦礦離子型晶體表面結構易發生解離、進而失去離子產生缺陷的特點，在鈣鈦礦表面進行分子鈍化是防止缺陷產生、提升器件性能的一種重要手段。但是，目前常用的有機鈍化分子通常只能與鈣鈦礦表面單個活性位點相結合，結合能力較弱。此外，單位點鈍化分子傾向于垂直緊密堆積在鈣鈦礦上表面，可能在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入傳輸屏障，影響電荷提取。
4月12日，上海科技大學物質科學與技術學院寧志軍團隊和美國西北大學Sargent團隊通過精準調控鈣鈦礦表面有機鈍化分子的排列，實現了鈣鈦礦光伏器件效率的新突破，成果在國際學術期刊《科學》(Science)上在線發表。本工作利用雙結合位點的4-氯苯磺酸鈉（4Cl-BZS）作為鈍化分子。4Cl-BZS通過氯原子和磺酸根兩個基團分別與鈣鈦礦表面相鄰的鉛離子作用，提高了分子和鈣鈦礦表面的結合能，有效抑制了表面缺陷的產生和鈣鈦礦上界面的載流子復合。此外雙位點結合還可以促使4Cl-BZS分子平行伏貼(“平伏”)在鈣鈦礦上表面，縮短了鈣鈦礦與電子傳輸層(C60)之間的距離，提升了電子傳輸的效率。
圖1：鈍化分子在鈣鈦礦表面的模擬結構與各種構型的結合能比較。
圖2：鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性表征。
通過將4Cl-BZS分子引入到鈣鈦礦薄膜中，太陽能電池的光電轉換效率得到了顯著提升。器件在實驗室的最高效率為26.9%。經權威機構Newport認證，0.05平方厘米和1平方厘米冠軍器件分別取得了26.15%和24.74%的準穩態認證效率。該認證結果分別被美國可再生能源實驗室（NREL）發布的Best Research-Cell Efficiency Chart 和全球光伏業界權威榜單Solar cell efficiency tables (Version 63) 收錄，刷新了單結鈣鈦礦光伏器件權威認證效率紀錄。此外，器件在光照高溫（65℃）連續運行1000小時后效率維持在95%以上，表明器件具有極好的穩定性。
本工作表明通過雙位點結合的“平伏”分子鈍化可以有效降低鈣鈦礦薄膜缺陷，并提高器件中的電荷提取速度，從而提升器件性能，為鈣鈦礦表面高效鈍化分子的開發以及高性能鈣鈦礦光伏器件的制備提供了思路，對于鈣鈦礦太陽能電池的發展具有重要意義，并對后續鈣鈦礦光伏的產業化具有重要的推動作用。
上海科技大學寧志軍教授和美國西北大學Edward H. Sargent教授、研究助理教授陳斌為論文共同通訊作者。西北大學博士后陳昊、劉成，加拿大多倫多大學博士后徐健、Aidan Maxwell 和上海科技大學2021級碩博連讀研究生周煒為論文共同第一作者。
文章標題：Improved charge extraction in inverted perovskite solar cells with dual-site-binding ligands
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm9474
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