近年來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)鈣鈦礦太陽能電池效率屢創(chuàng)新高。為進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率，研究者進(jìn)一步制備了一系列基于寬帶隙鈣鈦礦的疊層太陽能電池，比如鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池，鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池等。相較于其他種類的疊層太陽能電池，鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽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)疊層太陽能電池中，采用寬帶隙鈣鈦礦材料作為頂電池吸收短波長太陽光，采用窄帶隙有機(jī)活性層作為底電池吸收近紅外長波長太陽光，大幅拓寬可利用太陽光譜范圍并降低能量損失。同時，鈣鈦礦子電池可以過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，同時疊層太陽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)散等問題，從而使鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池的穩(wěn)定性優(yōu)于單結(jié)鈣鈦礦和單結(jié)有機(jī)太陽能電池。另外，鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池也保留了可溶液制備太陽能電池的本征優(yōu)勢。

開路電壓的提升是提高鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池效率的關(guān)鍵因素。在鈣鈦礦太陽能電池中，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)米能級釘扎效應(yīng)會造成電壓損失。為降低界面處的電壓損失從而提升太陽能電池效率，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。

在國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫/孟磊團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上，對鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽電池進(jìn)行了深入研究。他們研究了具有順反異構(gòu)特性的1,4-環(huán)己二胺分子對于寬帶隙鈣鈦礦表面的鈍化機(jī)制（圖1a），系統(tǒng)性的揭示了兩種順反異構(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射線研究了順反兩種鈍化劑分子結(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路電壓。進(jìn)一步地，他們通過紫外光電子能譜與表面開爾文力顯微鏡等測試手段發(fā)現(xiàn)，cis-CyDAI2會導(dǎo)致寬帶隙鈣鈦礦表面費(fèi)米能級上升，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能電池降低電壓損失提供了全新思路。

最終，他們結(jié)合窄帶隙有機(jī)材料底電池構(gòu)建了鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池（圖1c），獲得了26.4%的光電轉(zhuǎn)換效率（圖1d）（經(jīng)第三方認(rèn)證為25.7%），為目前報道的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽電池的最高效率。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《自然》上（Nature.2024, DOI:10.1038/s41586-024-08160-y ），文章的共同第一作者為博士生蔣鑫和秦書誠博士，通訊作者為孟磊研究員、德國波茨坦大學(xué)Felix Lang教授以及化學(xué)所李永舫研究員。

圖1. (a) 鈣鈦礦鈍化劑CyDAI2化學(xué)結(jié)構(gòu) (b) 通過測試不同條件下薄膜的準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂和器件的開路電壓總結(jié)的電壓損耗示意圖 (c) 鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖以及掃描電鏡截面圖 (d) 太陽能電池的電流密度-電壓曲線