连发五篇！南科大许宗祥团队在钙钛矿光伏领域领域取得系列进展|光伏|南科大|叠层|材料|许宗祥|酞菁|钙钛矿

近日，南方科技大学理学院副院长、化学系教授许宗祥团队在钙钛矿光伏领域取得一系列研究进展，与合作者在化学和材料领域学术期刊 Nano Energy、Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters、Joule、Advanced Energy Materials 发表5篇学术论文。

为实现我国和世界范围内的“双碳”目标，大力研发高效且低成本的光伏新技术至关重要。钙钛矿太阳电池（PSC）以其低成本、高效率、溶液可加工性和大面积制备等优势，成为最具商业化潜力的新型光伏器件。尽管PSC的光电转换效率已从最初的3.8%大幅提升至26%以上，但仍与其理论效率（33%）存在较大差距。虽然器件的稳定寿命已从最初的几分钟延长至数千小时，但距离商业化标准或晶硅25年以上的服役寿命仍有巨大差距。研究表明，低温液相制备PSC过程中，退火温度和结晶速率等因素会影响钙钛矿（PVK）薄膜的表面和晶界，并导致器件空穴传输层（HTL）或电子传输层（ETL）等不同界面位置形成多种缺陷。因此，亟需通过分子设计、化学合成高性能载流子传输材料、钝化剂材料等方法进一步提升PSC的效率和稳定性。

许宗祥课题组在近年研究工作中已设计、开发多个新型钝化剂材料并有效提升PSC器件效率和稳定性（Journal of Energy Chemistry, 2023, 85, 39-48；Chemical Engineering Journal, 2023, 462, 142328；Angewandte Chemie International Edition, 2022, 134, e202117；Journal of Energy Chemistry, 2022, 67, 263-275）。在计算模型的指导下，合成了非外围硫己基修饰不同中心原子取代的酞菁（NP-SC6-MPc），并将其用作正置（n-i-p）PSC器件PVK/HTL上界面的钝化剂。通过计算模型指导，全面研究了酞菁分子结构和电子结构以及它们与钙钛矿缺陷之间的Lewis酸碱相互作用。结果表明，中心原子为氢的酞菁（NP-SC6-H2Pc）对钙钛矿产生了最有效的钝化作用。经过NP-SC6-H2Pc处理的PSC器件实现了24.03%的光电转换效率（认证为23.78%），并在测试中表现出优异的稳定性（图1）。该研究首次揭示了氢酞菁的中心氢原子动态转移有利于增强钝化活性位点S/N的钝化效果，这些成果为提高PSC器件的效率和稳定性提供了重要的理论依据和实践经验。

图1 酞菁电子结构及钝化钙钛矿器件性能

该研究成果在学术期刊 Nano Energy 上发表，南科大-哈工大联培博士生曲歌平、南科大博士生乔颖为该论文的共同第一作者，共同通讯作者包括美国亚利桑那大学教授Dominic V. McGrath，南科大理学院副教授王阳刚、教授许宗祥。

正置PSC器件PVK/ETL埋底界面也存在缺陷，并显著影响器件性能。同时，由于金属氧化物ETL/PVK界面的物理化学性质复杂，文献中对该界面的反应研究较少，其影响机制仍需进一步研究。许宗祥及合作者团队在研究SnO2/PVK界面相互作用时，对界面上退化钙钛矿的原因进行了深入研究，发现PbI2残留物和金属Pb0是分解钙钛矿的产物。通过在SnO2/PVK界面引入优化量的新型MXene基二维材料Ti3C2TX，可以剥离SnO2羟基，这些羟基是引起界面离子迁移的原因之一。此外，Ti3C2TX通过其官能团钝化界面缺陷，为电子建立具有高非辐射复合机会的传输路径。经过钝化的器件实现了25.19%的效率（认证为24.41%）及长期稳定寿命（图2）。

图2 MXene钝化机制和器件性能曲线

相关研究成果在学术期刊 Advanced Functional Materials 上发表，南科大博士后Danish Khan（已出站）、Imran Muhammad及南科大-哈工大联培博士生曲歌平为该论文的共同第一作者，共同通讯作者包括深圳技术大学副教授唐泽国，南科大理学院副教授王阳刚、教授许宗祥。

非掺杂空穴传输材料对器件的光电转换效率、稳定性以及成本起着至关重要的作用。对空穴传输材料进行分子设计，提高材料的半导体性能，不但可以降低载流子复合率，提高光电转换效率，还能隔绝钙钛矿活性材料与水氧接触，提高器件稳定性。为了提高正置PSC器件的性能，许宗祥与合作者团队设计、合成廉价的N, N'-双咔唑分子BCzSPA，其具有3D共轭延伸的“L”型构象，以固定分子堆积模型和电荷跃迁通道。通过实施介观分子修饰策略来有序排列BCzSPA的分子堆叠，获得了密集的3D马赛克自组装体，具有分子间耦合和多通道电荷跃迁特性。适当引入杂原子促进的多向分子相互作用以及增强的形态稳定性同时优化了PVK/HTL界面接触、抑制缺陷形成并进一步降低了电荷复合损耗。作为正置PSC非掺杂HTL，获得了小面积PSC（0.1 cm2）25.42%的效率（认证为24.53%），大面积PSC（1 cm2）24.01%的效率，同时器件表现出显著的稳定性，在85°C的老化工况下T80寿命超过2400小时。

图3 非掺杂空穴传输材料BCzSPA分子设计及其器件性能

相关研究成果在学术期刊 ACS Energy Letters 上发表，南科大研究助理教授刘孝远、研究助理王科力为该论文共同第一作者，共同通讯作者包括南京工业大学教授陈永华、华中科技大学教授李雄和南科大理学院教授许宗祥。

相较于正置器件，反式（p-i-n）PSC器件具有多项优势，如制备过程更简单、低温成膜可行、无明显迟滞现象以及适用于与传统太阳能电池结合制造叠层器件等，其性能发展已超过正置器件。近年来，自组装分子（SAM）材料因其能级可调、低成本、高透光率和与钙钛矿和透明导电氧化物（TCO）基底缺陷钝化等优点，广泛应用于高性能反式PSC器件空穴接触层（HSL）。目前多数商业化SAM材料（如Me-4PACz）以烷基链作为连接基团，虽然获得了良好的器件性能，但碳链的绝缘性质限制了其空穴传输能力和稳定性。许宗祥团队和合作者在Me-4PACz基础上，通过将柔性的丁基连接基团替换为共轭苯基，设计、合成了新型SAM分子Me-PhpPACz，用于制备反式PSC，获得器件效率26.17%（认证为26.12%）、填充因子高达86.79%和优异的长期稳定性（图4）。超快光谱学实验结果表明，共轭苯基连接的SAM不仅能够提高材料光电稳定性、调控ITO电极的功函数，还能够促进空穴的提取和传输。该研究进一步揭示了SAM分子设计和PSC性能之间的构效关系，这为进一步提高PSC的性能和钙钛矿光伏技术产业化奠定了坚实的基础。

图4 自组装材料及其器件性能

相关研究成果在 Joule 上发表，南科大-哈工大联培博士生曲歌平、南科大-港大联培博士生蔡思源、南科大博士生乔颖、南科大-香港城市大学联培博士生王登为该论文共同第一作者，共同通讯作者包括香港城市大学教授任广禹，南科大理学院副教授陈熹翰、教授许宗祥。

钙钛矿硅叠层太阳电池（PSTSCs）从2015年诞生以来，在不到十年间其光电转换效率迅速提高至33.7%，且其理论转换效率高达42.5%，被认为是唯一有希望低成本量产的效率超过30%的太阳电池技术，也是当前太阳电池学术界和产业界关注的焦点。然而，尽管实验室研发效率已经超过30%，但叠层电池产业化仍然面临一系列挑战，其中两个主要挑战——宽带隙（WBG）钙钛矿和绒面硅衬底。两个挑战引发了包括相偏析、电压损失、钙钛矿应力应变、高复合率和分流路径等一系列问题。此外，这些问题的复杂性增加了对WBG钙钛矿和硅绒面之间关系明析的困难度，这已经成为进一步提高PSTSCs效率的重大障碍。许宗祥团队与深圳技术大学唐泽国团队共同合作，对该问题进行了全面的分析，明确了两个主要挑战（WBG和硅绒面衬底）引发的PSTSCs的不稳定性问题。另外，研究还解释了PSTSCs商业化的主要障碍，并提出了解决这些商业障碍的可能途径。最后，文章总结了PSTSCs的最新进展，提出了未来发展的观点和全面的展望（图5）。