一、上海交通大學science：倒置鈣鈦礦太陽能電池孔穴傳輸分子的自組裝設計

利用自組裝單層太陽能電池（SAM）空穴傳輸層，提高了倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCEs）。PSCs電池的長期穩(wěn)定性要求在運行過程中保持鈣鈦礦層下的SAM緊湊。

在此，上海交通大學韓禮元教授和韓奇峰副教授等人發(fā)現(xiàn)如果鈣鈦礦前驅體中的強極性溶劑通過氫鍵而不是共價鍵的羥基固定在底物上，則強極性溶劑會使SAM解吸。作者使用原子層沉積創(chuàng)建了一個具有完全共價羥基覆蓋表面的SAM錨定，以及一個具有三甲氧基硅烷基團的SAM，顯示出強的三齒酸錨定到底物上。所得到的鈣鈦礦太陽能電池分別達到24.8（認證24.6）和23.2%的PCEs，孔徑面積分別為0.08和1.01平方厘米。在1000小時的濕熱測試和在85°C下1200小時的最大功率點跟蹤運行后，這些設備分別保留了98.9和98.2%的初始PCE。

相關文章以“Reinforcing self-assembly of hole transport molecules for stable inverted perovskite solar cells”為題發(fā)表在Science上。

提高倒置鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉換效率（PCEs）的另一種方法是使用自組裝單層膜（SAMs），例如使用空穴傳輸材料（HTMs）。與常用的HTMs相比，薄HTM層降低了傳輸層的電阻，從而降低了鈣鈦礦太陽能電池的電阻，有序分子通過產生界面偶極矩來誘導空穴提取，以及分子減少了與鈣鈦礦吸收層的界面復合。據(jù)報道，在高效倒置單結 PSC、全鈣鈦礦疊層太陽能電池 和鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池中使用SAMs作為HTM。

然而，高效PSC的商業(yè)化也應滿足長期運行穩(wěn)定性的要求。盡管研究表明SAM本身具有良好的照明和熱穩(wěn)定性，但與使用其他光熱穩(wěn)定HTM的PSC相比，基于SAM的PSC并未顯示出一致的穩(wěn)定性。應用于PSC的SAM需要錨定到透明導電金屬氧化物（TCO）上吸收的表面羥基（OH） 基團以實現(xiàn)自組裝。因此，OH基團在基體上的穩(wěn)定吸附對自組裝穩(wěn)定性至關重要。TCO表面上存在的OH基團可以通過化學吸附牢固鍵合，也可以通過物理吸收弱鍵合，但后者在溶劑存在下可能不穩(wěn)定。

研究發(fā)現(xiàn)，與TCO弱結合的親水性OH基團，以及錨定在這些不穩(wěn)定位點的SAM，可以被強極性鈣鈦礦溶劑解吸。盡管在鈣鈦礦結晶過程中，未錨定的分子仍會隨機地在底部重新沉積以阻斷電子，但隨著未錨定分子逐漸從表面解吸，泄漏電流增加，從而降低了PSC操作過程中的PCE。作者開發(fā)了一種具有完全共價OH覆蓋表面的金屬氧化物底物，用于制造PSC，以加強SAM的錨定位點以解決這些問題。此外，合成了一種具有三甲氧基硅烷基團的分子，（3,6-二甲氧基-9，H-咔唑-9-基）三甲氧基苯基硅烷（DC-TMPS），該分子通過三齒錨與化學吸附的OH表面具有高結合能，而不是更常用的具有膦酸基團的SAM具有雙齒錨。由DC-TMPS錨定的全共價OH覆蓋襯底確保了長期運行的穩(wěn)定界面空穴提取，并且與鈣鈦礦吸收層具有出色的能量對齊。單結倒置PSC在孔徑面積0.08和1.01 cm² 下的PCE分別為24.8%（認證為24.6%）和23.2%。穩(wěn)定性結果表明，在濕熱試驗后，目標PSCs保留了98.9%的初始效率。

圖1. 錨定SAM在ITO表面的穩(wěn)定性研究

圖2.?SAM HTM對PSC的降解機理

圖3.?ALD ITO的錨定SAM穩(wěn)定性及器件性能研究

圖4.?PSCs的長期穩(wěn)定性研究

Hongcai Tang?, Zhichao Shen?, Yangzi Shen, Ge Yan, Yanbo Wang, Qifeng Han*, Liyuan Han*, Reinforcing self-assembly of hole transport molecules for stable inverted perovskite solar cells, Science.?(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9602

二、華中科技大學science：高效鈣鈦礦太陽能電池的電子注入及缺陷鈍化

可印刷的介觀鈣鈦礦太陽能電池（p-MPSC）不需要傳統(tǒng)p-n結中需要的附加空穴傳輸層，但也表現(xiàn)出約19%的較低功率轉換效率。

在此，華中科技大學韓宏偉教授、梅安意副教授和凌福日副教授等人進行了器件仿真和載流子動力學分析，設計了一種具有半導體二氧化鈦、絕緣二氧化鋯和鈣鈦礦滲透的導電碳介孔層的p-MPSC，能夠將光激發(fā)電子三維注入到二氧化鈦中，以收集在透明導體層。空穴向碳背電極進行了長距離擴散，這種載流子分離減少了背接觸處的復合。通過磷酸銨改性，減少了二氧化鈦/鈣鈦礦界面處的非輻射復合。由此產生的p-MPSC在55±5°C條件下進行750小時的最大功率點跟蹤后，該結果達到了22.2%的功率轉換效率，并保持了其初始效率的97%。

相關文章以“Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells”為題發(fā)表在Science上。

大多數(shù)鈣鈦礦太陽能電池（PSC）采用層狀結構，包括空穴轉運體層（HTL）和貴金屬電極?？捎∷⒔橛^PSC（p-MPSC） 是一種不使用HTL或金屬電極的替代策略。在p-MPSCs中，鈣鈦礦被滲透到介孔二氧化鈦（mp-TiO₂）/介孔二氧化鋯（mp-ZrO₂）/介孔碳（mp-C）的支架中。mp-TiO₂層是電子傳遞層（ETL），多孔碳既是背電極，也是空穴集電極，mp-ZrO₂層將ETL與背電極隔離。在這種結構中，鈣鈦礦可以將孔洞輸送到后電極上。p-MPSC可以在環(huán)境環(huán)境中通過絲網印刷制造，這可以實現(xiàn)可擴展的生產?；谌亟榭讓拥膒-MPSCs在成本和穩(wěn)定性方面顯示出令人鼓舞的前景，但仍然具有相對較低的功率轉換效率（PCE），為16%至19%，較高的PCE需要選擇性收集載體并有效抑制缺陷輔助界面復合。p-MPSC中鈣鈦礦和碳的直接接觸排除了具有不對稱電子和空穴電導率的空穴選擇性界面的構建，而在其他PSC中，這可以通過與HTL的調制能級對齊來實現(xiàn)。非選擇性界面可以促進復合，因為電子和空穴都可以注入背電極。

在此，作者證明了p-MPSCs中的ETL通過在體界面處的三維（3D）注入從介孔中的鈣鈦礦中提取電子，以限制電子向背電極的長距離擴散。這樣，前ETL/鈣鈦礦界面，而不是后鈣鈦礦/碳界面，解釋了導致電壓損耗的復合問題。作者報道了由軟酸性陽離子和硬堿陰離子組成的鹽通過促進表面氧空位的電離來鈍化二氧化鈦上的缺陷，并抑制復合。用季磷酸銨處理mp-TiO₂ ETL使PCE的達到了22%，導致具有350 mV的開路電壓。

這一結果打破p-MPSCs的PCE瓶頸，獲得高性能光伏電池板，為采用全濕法加工技術和工業(yè)豐富材料的低成本發(fā)電提供了解決方案。

圖1. 裝置結構及工作原理

圖2.?載流子動力學

圖3.?鹽與二氧化鈦相互作用的密度泛函理論計算

圖4.?缺陷鈍化

圖5. 設備性能測試

Jiale Liu*, Xiayan Chen*, Kaizhong Chen*, Wenming Tian*, Yusong Sheng, Bin She, Youyu Jiang, Deyi Zhang, Yang Liu, Jianhang Qi, Kai Chen, Yongmin Ma, Zexiong Qiu, Chaoyang Wang, Yanfeng Yin, Shengli Zhao, Jing Leng, Shengye Jin, Wenshan Zhao, Yanyang Qin, Yaqiong Su, Xiaoyu Li, Xiaojiang Li, Yang Zhou, Yinhua Zhou, Furi Ling?, Anyi Mei?, Hongwei Han?, Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells, Science. (2024).?