南科大电子系Aung Ko Ko KYAW研究团队开发出新型界面修饰技术，提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性
随着可持续能源需求的日益增加，以及全球人口的增长，我们对电力的需求也在不断增加。光伏技术（PV），即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，并在应对气候变化和实现碳中和目标寄予厚望。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，有望带来能源格局的新突破。
钙钛矿材料展现出的独特特性——通过调整其化学成分，能够精确调节其带隙。这种多样性使得研究人员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，操作简便且成本低廉，并为规模化生产铺平了道路。这些优势使得钙钛矿太阳能电池不仅在性能上充满潜力，而且在可扩展性和经济可行性方面也同样具有吸引力。尽管钙钛矿太阳能电池取得了令人瞩目的进展，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，研究人员正在努力解决电荷复合、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仍在继续。
近日，由南方科技大学电子与电气工程系的Aung Ko Ko Kyaw副教授和材料科学与工程系的罗光富副教授的科研团队联合开展了题为 “Uniform Molecular Adsorption Energy-Driven Homogeneous Crystallization and Dual-Interface Modification for High Efficiency and Thermal Stability in Inverted Perovskite Solar Cells”的研究，该成果已发表在顶级期刊《先进功能材料》上。
该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。更为引人注目的是，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
目前，Aung Ko Ko Kyaw教授团队通过进一步的优化研究，近期获得了由广东省计量科学研究院认证的25.74%的光电转换效率。
图3. 广东计量研究院认证光电转换效率达到25.74%
此外，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。此外，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4. 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相互作用的提供了理论框架支持。随着世界不断寻求可持续能源解决方案，研究团队的这项工作如同进步的灯塔，为我们走向一个清洁、高效的太阳能未来添砖加瓦。
相关研究成果发表在《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adfm.202408512）上，南方科技大学徐晓伟博士为第一作者，Aung Ko Ko Kyaw副教授和罗光富副教授为共同通讯作者。杜青昊硕士、康昊龙研究生参与了理论计算部分，顾晓宇博士、单成伟博士等参与了测试表征等。南方科技大学徐保民教授以及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。此外，该研究工作得到国家自然科学基金重点项目、深圳市科技创新委员会、广东省计算科学与材料设计重点实验室项目以及南方科技大学超算中心和南方科技大学分析测试中心等的支持。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202408512