近日，上海交通大学材料学院韩奇峰副教授和韩礼元教授在钙钛矿太阳能电池稳定性领域获得重要进展，相关成果“Reinforcing self-assembly of hole transport molecules for stable inverted perovskite solar cells”发表在国际顶级期刊Science上。

材料学院2021级博士唐宏才、2018级博士沈志超为论文共同第一作者，韩奇峰副教授、韩礼元教授为论文通讯作者。上海交通大学材料学院为论文唯一完成单位。

SCIENCE | VOLUME 383 | ISSUE 6688 | 15 MAR 2024

反式结构的钙钛矿太阳电池极有希望在未来实现产业化。目前自组装空穴传输分子(SAM)的引入使得反式结构器件的效率不断突破，目前已经超过26%，接近单晶硅太阳电池的最高水平(26.8%)。团队研究发现当SAM在ITO自然吸附的羟基表面上结合时，会被钙钛矿前驱液中强极性溶剂所脱附，从而不能实现锚定分子在ITO表面100%的覆盖。未锚定的SAM分子虽然依旧能在钙钛矿结晶后沉积在钙钛矿层底部，但是在钙钛矿器件长期运行时会逐渐扩散，最终形成非致密层，从而失去对电子的阻挡作用引起器件效率下降。通过使用原子层沉积的方法，在表面形成具有共价键结合羟基的全覆盖锡掺杂氧化铟单层（ALD ITO），使SAM在ALD ITO表面实现了稳定且致密的锚定，从根本上解决了SAM吸附不稳定这一问题。该团队进一步地研发出了与基底间能够形成三齿键合的含甲氧基硅烷基团的SAM分子DC-TMPS。与常用的双齿键合磷酸基团分子相比，它能基底形成更高的结合能，从而进一步提升了器件的稳定性。

团队最终制备的反式钙钛矿太阳能电池获得了24.8%的光电转化效率。稳定性测试结果表明，器件在85%相对湿度和85℃的条件下储存1000小时，仍保持了初始效率的98.5%；在85℃下最大功率点输出1200小时后，保持了初始效率的98.2%。该结果均明显优于对比样品。该工作为推动高效稳定反式钙钛矿太阳能电池的产业化目标提供了重要的科学和技术参考。

图1: (A-C) ITO表面经过不同溶剂冲洗后，XPS中O1s峰变化; (D) ITO上SAM覆盖因子在不同溶剂冲洗后的变化; (E-F) SAM/ITO在不同溶剂冲洗后表面电势变化; (H) SAM/ITO在不同溶剂清洗下变化的示意图。

图2: (A-B) ALD ITO表面经过不同溶剂冲洗后，XPS中O1s峰变化; (C) ALD ITO上SAM覆盖因子在不同溶剂冲洗后的变化; (D)半器件结构示意图。

 

该研究工作获得了国家重点研发计划（2020YFB1506400；2021YFB3800100）和国家自然科学基金（U20A20245；U21A20171；11834011；12074245）等项目的资助。

 

上海交通大学