近期，研究人員給鈣鈦礦相鄰界面同時構筑了分子橋（molecular bridge），打通了電荷傳輸“高速通道”，讓反式鈣鈦礦太陽能電池拿下認證填充因子88%的新紀錄！相關成果發表于《國家科學評論》（National Science Review）。

2000年諾貝爾物理學獎得主 Herbert Kroemer 因“發展了用于電子學和光電學的半導體異質結構”而獲獎。他曾提出著名論斷：“…the interface is the device”（界面即器件）。這一理念在鈣鈦礦太陽能電池中同樣適用：非理想的界面常導致工藝復雜、電荷傳輸效率低和嚴重的非輻射復合，從而顯著限制了器件性能，尤其在鈣鈦礦吸光層與相鄰功能層形成的異質結界面處表現得尤為突出。

研究亮點

那么，如何同時抑制非輻射復合損失并提升電荷傳輸效率？研究人員另辟蹊徑，設計出雙分子橋策略：

  • 橋一：在鈣鈦礦/空穴傳輸層界面，構建分子橋，提升空穴提取效率；

  • 橋二：在鈣鈦礦/電子傳輸層界面，再搭一座橋，加速電子流出；

而且，這兩座“橋”由同一個分子“4-F-PEAFa”發起，聰明又高效！

研究內容

1. 功能添加劑設計：精準鈍化鈣鈦礦缺陷

該工作針對鈣鈦礦材料中常見的碘空位等缺陷，設計并合成了一種新型功能分子4-F-PEAFa。該分子能高效鈍化缺陷，改善膜層質量，為后續界面工程奠定基礎。

通過碘空位缺陷模型篩選功能添加劑分子結構

2. 雙分子橋策略：構建高效電荷傳輸路徑

得益于 4-F-PEAFa 分子的自聚集特性，該分子可與合成的空穴傳輸材料 DBZ-2PACz 和傳統電子傳輸材料 C60分別在鈣鈦礦上下界面形成穩定的“分子橋”。該雙界面協同構建了一體化的載流子傳輸通道，顯著提升了電荷提取效率。

雙分子橋形成示意圖

研究結果

1. 超高效率與填充因子：實現實效率26%，認證效率25.6%、填充因子0.87（最大認證填充因子高達0.88），并且多個認證器件都展現高效率、高填充，理想因子低至1.06，為當前反式鈣鈦礦電池的最高性能之一。

2. 卓越穩定性：未封裝器件在高溫（85°C）和連續工作條件下表現出色，分別在2000 h 和 1000 h 后仍能保持初始效率的90%以上，有利于突破商業化穩定性瓶頸。

**這項研究進一步驗證了 Kroemer 的預言：“界面，確實就是器件。”**也為 鈣鈦礦電池中的界面調控提供了新思路：讓分子“搭橋”，讓電荷“飛馳”！

來源: 《中國科學》雜志社