香港城大朱宗龍教授，三年3篇Science之后，最新成果登上Nature Photonics!
2025-07-22 16:49:22
作者：本網(wǎng)發(fā)布 來源：高分子科學(xué)前沿
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金屬鹵化物鈣鈦礦因卓越的光電特性而迅速提升了太陽能電池效率，但要逼近 Shockley–Queisser 極限仍受限于空穴選擇性層（HSL）的均勻沉積與分子聚集問題。傳統(tǒng)小分子 HSL（如 Me?4PACz）在溶液工藝中易聚集，導(dǎo)致器件效率、可重復(fù)性與穩(wěn)定性下降。行業(yè)急需能夠在保持高黏附性的同時(shí)抑制分子團(tuán)聚的新型有機(jī)空穴材料，以實(shí)現(xiàn)可規(guī)模化生產(chǎn)的高效鈣鈦礦電池。鑒于此，香港城市大學(xué)朱宗龍教授, 華中科技大學(xué)李忠安教授，香港城市大學(xué)曾曉成教授聯(lián)合報(bào)道通過在鈣鈦礦成膜過程中協(xié)同沉積一種新型 p 型小分子 D4PA，其分子內(nèi) C–C 耦合不僅提供雙位點(diǎn)錨定以強(qiáng)化界面電荷傳輸和缺陷鈍化，還通過構(gòu)象扭曲與位阻效應(yīng)有效阻止分子聚集。小面積器件獲得 26.72% 認(rèn)證效率，10.86cm² 迷你組件亦達(dá)到 23.37% 效率；在最大功率點(diǎn)連續(xù)工作 2500h 后仍保持 97.2% 初始效率，展示了商業(yè)化連續(xù)工藝的可行性。相關(guān)研究成果以題為“High-efficiency perovskite solar cells enabled by suppressing intermolecular aggregation in hole-selective contacts”發(fā)表在最新一期《nature photonics》上。值得一提的是，這是朱宗龍教授自2022年以來，已發(fā)表三篇《Science》后，再發(fā)《nature photonics》。作者首先給出了 ITO/D4PA鈣鈦礦/C??/BCP/Ag 反向結(jié)構(gòu)示意（圖1a）；TOFSIMS 深剖表明 D4PA 由界面向體相均勻分布（圖1b）。密度泛函計(jì)算顯示，圖1c、1d 中 D4PA 的雙磷酸錨基在 ITO (111) 面形成 P–O–In 鍵長(zhǎng) 2.29Å、結(jié)合能 −4.42eV，而在鈣鈦礦表面（圖1f）則與 Pb²? 協(xié)調(diào)。圖1e 的半旋轉(zhuǎn)能差證明分子內(nèi)氫鍵僅在旋轉(zhuǎn)角 <30° 時(shí)穩(wěn)定，確保構(gòu)象鎖定并提供位阻。pDOS 分析（圖1g、1h）顯示磷氧對(duì)價(jià)帶最大值有顯著貢獻(xiàn)，說明 2T 錨定促進(jìn)界面電荷轉(zhuǎn)移。整體來看，D4PA 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)黏附與防聚集雙重功能。XPS（圖2a）中 Pb 4f 峰向低束縛能移動(dòng)表明 D4PA鈣鈦礦相互作用更強(qiáng)；溫度依賴 FTIR（圖2b、2c）顯示 D4PA 的 P=O 振動(dòng)在低溫已完成紅移，證明晶粒早期即形成穩(wěn)定鍵合。XRD（圖2d）峰強(qiáng)增強(qiáng)及峰面紅外成像（圖2e、2f）共同揭示 D4PA 促進(jìn)膜內(nèi)均勻分散并提高結(jié)晶度。DFT 計(jì)算（圖2g）給出 D4PA 分子間結(jié)合能 −1.495eV，遠(yuǎn)弱于 Me4PACz 的 −2.356eV；DLS 結(jié)果（圖2i）證實(shí) 12h 儲(chǔ)存后前者顆粒僅由 62nm 增至 102nm，而后者從 211nm 增至 405nm，進(jìn)一步印證位阻效應(yīng)抑制聚集，為連續(xù)工藝延長(zhǎng)“可加工窗口”。在 0.0412cm² 器件上，圖3a 的 J–V 曲線顯示 D4PA 反掃效率 26.83%，較 Me4PACz 提升 1.86pct；圖3b 的認(rèn)證曲線確認(rèn) PCE 為 26.72%，對(duì)應(yīng) VOC=1.197V、JSC=26.21mAcm?²、FF=85.17%。穩(wěn)態(tài)功率跟蹤（圖3c）在 300s 內(nèi)保持 26.14% 效率。圖3f 進(jìn)一步顯示不同儲(chǔ)存時(shí)間下 D4PA 墨水制備的器件效率僅下降 0.32%，而 Me4PACz 下降 1.81%，驗(yàn)證其工業(yè)友好性。刀片涂布的 10.86cm² 迷你組件（圖3g、3h）實(shí)現(xiàn) 23.37% PCE 與 22.66% 認(rèn)證 MPPT 效率；長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試（圖3i）中，D4PA 設(shè)備在空氣中 1sun MPP 持續(xù) 2500h 后仍維持 97.2% 初始性能，優(yōu)于對(duì)照組的 82.7%。激發(fā)光從 ITO 側(cè)進(jìn)入時(shí)，D4PA 薄膜的 PL 分布（圖4b）均勻且整體強(qiáng)度降低，TRPL（圖4c）載流子壽命縮短，說明空穴提取更快更均一。tDOS（圖4d）顯示 0.4–0.5V 深能級(jí)陷阱密度顯著下降；QFLS光強(qiáng)曲線（圖4e）下 D4PA 膜始終高于 Me4PACz，配合 15.25% 的 EQE_EL（圖4f）反映界面非輻射復(fù)合被抑制。DFT 進(jìn)一步揭示 D4PA 雙位點(diǎn)錨定對(duì) VI、i_I 與 Pb_I 缺陷區(qū)域（圖4g–4i）具有 −2.75至?−3.37eV 的低結(jié)合能，且缺陷誘導(dǎo)態(tài)被完全鈍化，為高 VOC 與低能損奠定基礎(chǔ)。總的來說，分子內(nèi) C–C 耦合賦予的構(gòu)象鎖定與多位點(diǎn)錨定使 D4PA 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了界面黏附增強(qiáng)、缺陷鈍化與分子去聚集三重優(yōu)勢(shì)，在小面積器件中創(chuàng)造 26.72% 認(rèn)證效率，并首次通過一步沉積在 10.86cm² 組件上取得 23.37% 的 PCE 與 2500h 的 MPP 穩(wěn)定性。該策略為開發(fā)高效、可連續(xù)制備且長(zhǎng)壽命的 p–i–n 鈣鈦礦太陽能電池提供了新路線，也為未來工業(yè)級(jí)大面積生產(chǎn)奠定了材料與工藝基礎(chǔ)。
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