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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：本網發布來源：高分子科學前沿分享至：

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。傳統小分子 HSL（如 Me?4PACz）在溶液工藝中易聚集，導致器件效率、可重復性與穩定性下降。行業急需能夠在保持高黏附性的同時抑制分子團聚的新型有機空穴材料，以實現可規模化生產的高效鈣鈦礦電池。

鑒于此，香港城市大學朱宗龍教授, 華中科技大學李忠安教授，香港城市大學曾曉成教授聯合報道通過在鈣鈦礦成膜過程中協同沉積一種新型 p 型小分子 D4PA，其分子內 C–C 耦合不僅提供雙位點錨定以強化界面電荷傳輸和缺陷鈍化，還通過構象扭曲與位阻效應有效阻止分子聚集。小面積器件獲得 26.72% 認證效率，10.86cm² 迷你組件亦達到 23.37% 效率；在最大功率點連續工作 2500h 后仍保持 97.2% 初始效率，展示了商業化連續工藝的可行性。相關研究成果以題為“High-efficiency perovskite solar cells enabled by suppressing intermolecular aggregation in hole-selective contacts”發表在最新一期《nature photonics》上。

值得一提的是，這是朱宗龍教授自2022年以來，已發表三篇《Science》后，再發《nature photonics》。

【D4PA 與氧化銦錫和鈣鈦礦的相互作用】

作者首先給出了 ITO/D4PA鈣鈦礦/C??/BCP/Ag 反向結構示意（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 2.29Å、結合能 −4.42eV，而在鈣鈦礦表面（圖1f）則與 Pb²? 協調。圖1e 的半旋轉能差證明分子內氫鍵僅在旋轉角 <30° 時穩定，確保構象鎖定并提供位阻。pDOS 分析（圖1g、1h）顯示磷氧對價帶最大值有顯著貢獻，說明 2T 錨定促進界面電荷轉移。整體來看，D4PA 同時實現了強黏附與防聚集雙重功能。

圖 1. D4PA 與基底和鈣鈦礦的相互作用

【用 D4PA 表征鈣鈦礦薄膜】

XPS（圖2a）中 Pb 4f 峰向低束縛能移動表明 D4PA鈣鈦礦相互作用更強；溫度依賴 FTIR（圖2b、2c）顯示 D4PA 的 P=O 振動在低溫已完成紅移，證明晶粒早期即形成穩定鍵合。XRD（圖2d）峰強增強及峰面紅外成像（圖2e、2f）共同揭示 D4PA 促進膜內均勻分散并提高結晶度。DFT 計算（圖2g）給出 D4PA 分子間結合能 −1.495eV，遠弱于 Me4PACz 的 −2.356eV；DLS 結果（圖2i）證實 12h 儲存后前者顆粒僅由 62nm 增至 102nm，而后者從 211nm 增至 405nm，進一步印證位阻效應抑制聚集，為連續工藝延長“可加工窗口”。

圖 2. 用 D4PA 表征鈣鈦礦薄膜

【PSC 的性能和穩定性】

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 的認證曲線確認 PCE 為 26.72%，對應 V_OC=1.197V、J_SC=26.21mAcm?²、FF=85.17%。穩態功率跟蹤（圖3c）在 300s 內保持 26.14% 效率。圖3f 進一步顯示不同儲存時間下 D4PA 墨水制備的器件效率僅下降 0.32%，而 Me4PACz 下降 1.81%，驗證其工業友好性。刀片涂布的 10.86cm² 迷你組件（圖3g、3h）實現 23.37% PCE 與 22.66% 認證 MPPT 效率；長期穩定性測試（圖3i）中，D4PA 設備在空氣中 1sun MPP 持續 2500h 后仍維持 97.2% 初始性能，優于對照組的 82.7%。

圖 3. 光伏性能和穩定性

【載流子傳輸和能量損失】

激發光從 ITO 側進入時，D4PA 薄膜的 PL 分布（圖4b）均勻且整體強度降低，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 深能級陷阱密度顯著下降；QFLS光強曲線（圖4e）下 D4PA 膜始終高于 Me4PACz，配合 15.25% 的 EQE_EL（圖4f）反映界面非輻射復合被抑制。DFT 進一步揭示 D4PA 雙位點錨定對 VI、i_I 與 Pb_I 缺陷區域（圖4g–4i）具有 −2.75至?−3.37eV 的低結合能，且缺陷誘導態被完全鈍化，為高 VOC 與低能損奠定基礎。

圖 4. 載流子傳輸和能量損失分析

【總結】

總的來說，分子內 C–C 耦合賦予的構象鎖定與多位點錨定使 D4PA 同時實現了界面黏附增強、缺陷鈍化與分子去聚集三重優勢，在小面積器件中創造 26.72% 認證效率，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 穩定性。該策略為開發高效、可連續制備且長壽命的 p–i–n 鈣鈦礦太陽能電池提供了新路線，也為未來工業級大面積生產奠定了材料與工藝基礎。

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