《Angew》刘生忠/王开/李东栋/苗青青：疏水氢键聚合物网络应用于高效稳定的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池|Angew|angew|刘生忠|太阳能电池|明朝|晶硅|李东栋|王开|疏水氢键聚合物|苗青青|钛矿

文章信息

疏水氢键聚合物网络应用于高效稳定的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池

第一作者：刘璐

通讯作者：苗青青*，李东栋*，王开*，刘生忠*

单位：中国科学院大连化学物理研究所，中国科学院大学，中国科学院过程工程研究所，中国科学院上海高等研究院

研究背景

近年来，钙钛矿太阳电池（PSCs）因为具有可低温制备，生产成本低等优点受到大家的广泛关注。PSCs的出现改变了光伏器件领域，为可再生能源的发展做出了重大贡献。作为新一代光伏技术，其认证转换效率已超过26%，接近其理论上的Shockley-Queisser (S-Q)效率极限。为了超越钙钛矿单结太阳电池的S-Q极限，科研工作者开始致力于研究钙钛矿-晶硅叠层太阳电池。宽带隙钙钛矿与晶硅电池有良好的电流匹配，可作为叠层电池的顶部子电池。然而，宽带隙PSCs的发展受限于器件电压损失高、缺陷浓度高、光照相分离和钙钛矿与传输层能级失配等问题。所以，开发高效稳定的宽带隙PSCs并开展其在叠层电池的应用研究具有重要意义。

文章简介

近日，来自中国科学院大连化学物理研究所的刘生忠研究员、王开副研究员与中国科学院过程工程研究所的苗青青研究员、中国科学院上海高等研究院的李东栋研究员合作，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Hydrophobic Hydrogen-Bonded Polymer Network for Efficient and Stable Perovskite/Si Tandem Solar Cells”的研究文章。该研究文章设计并合成了不同烷基链长的聚离子液体(PILs)，构建了一个疏水的氢键聚合物网络(HHPN)，将其作为宽带隙钙钛矿与电子传输层之间的界面钝化层。该策略使宽带隙单结器件具有优异的转化效率和稳定性，并提高了钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的性能。

图1. 不同烷基链长的聚离子液体(PILs)的合成、化学结构、静电势和偶极矩，其与钙钛矿结合能及作用示意图。

本文要点

要点一：构建疏水氢键聚合物网络

基于聚离子液体(PILs)可结合单体和聚合物的独特性能，从而产生超过它们单独贡献总和的优越效果，本文设计并合成了不同烷基链长的PILs，在宽带隙钙钛矿/电子传输层界面构建了一个HHPN。理论计算和实验研究表明：烷基链长度较长的PIL与钙钛矿的结合能更强。

要点二：提升宽带隙钙钛矿太阳电池性能

HHPN作为宽带隙钙钛矿/电子传输层界面钝化层，可以抑制非辐射复合损失，促进载流子传输，显著提高开路电压和填充因子，从而大幅提高器件效率。结果表明，优化后的单结宽带隙太阳电池效率高达23.18%，VOC高达1.25 V，是目前报道的带隙超过1.67 eV 器件中最高的效率。HHPN也可抑制离子迁移，并作为防止水和氧侵入的屏障层，使器件表现出出色的热稳定性和抗湿性。

要点三：提升钙钛矿/晶硅叠层太阳电池性能

光照面的界面缺陷调控对太阳能电池的性能至关重要，因此，对于叠层太阳电池，在钙钛矿/电子传输层界面的HHPN修饰具有更大的意义。本文基于HHPN优化的单结宽带隙太阳电池，进一步制备了钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。在保持良好运行稳定性的同时，叠层电池最高效率达到28.24%。

文章链接

Hydrophobic Hydrogen-Bonded Polymer Network for Efficient and Stable Perovskite/Si Tandem Solar Cells

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202317972

通讯作者简介

刘生忠 研究员简介：中国科学院大连化学物理研究所-陕西师范大学共聘教授。1983年毕业于陕西师范大学，获理学学士学位；1986年毕业于兰州大学化学系，获理学硕士学位；1992年在美国西北大学（Northwestern University）获博士学位。研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。在Science、Nature、Nat. Commun.、Joule、JACS、Adv. Mater.、Energy & Environ. Sci.、Angew.、 Chem.等国际著名期刊发表SCI论文300余篇。荣获中国侨界贡献奖、中科院优秀导师奖，入选全球顶级2%科学家榜单、RSC（英国皇家化学会）“Top 1% 高被引中国作者”和科睿唯安（Clarivate Analytics）“全球高被引科学家”榜单。H-index 95，i10-index >300。获国际和中国授权专利六十余项。参与承担国家重点研发计划，基金委重点项目集成项目，中国科学院先导专项、省部委重大重点项目和企业项目等

王开副研究员简介：中国科学院大连化学物理研究所副研究员，2017年博士毕业于大连理工大学，一直从事新型薄膜太阳电池的基础与应用研究，主要包括无机电荷传输材料可控制备与性能调控、宽禁带钙钛矿结晶调控与界面修饰，大面积钙钛矿模组及叠层电池制备研究。目前以第一作者和通讯作者身份共发表文章39篇，含ESI高被引论文6篇，包括Joule，Adv. Mater., Angew，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等，H因子21。

李东栋 研究员简介：张江实验室研究员，近年来关注光电功能材料和器件中表界面特性、光子和电子传输等共性科学问题。围绕薄膜生长、极端制造、界面调控、光电传输机制，从事微纳器件、光伏等领域的应用开发。至今共参与编写英文专著2部，在Nature、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed. 等学术期刊发表SCI论文140余篇，论文被引用6800余次，H因子=46，获授权国家发明专利10余项，成果转化2项。

苗青青 研究员简介：2011年毕业于大连理工大学，2012年加入中国科学院过程工程研究所，现为过程所青年研究员、课题组长。长期从事新型太阳能电池及产业化技术、光电材料、离子液体材料绿色合成及应用等研究。研究成果发表在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Lett.等国际权威期刊上，参与中英文专著6部。荣获辽宁省自然科学学术成果奖一等奖（第1完成人）、中科院青促会会员、中科院过程所青促会会员及“优秀会员”、后备人才计划及相关活动的“全国优秀科技教师”、“优秀辅导教师”等称号。

第一作者简介

刘璐，2018年毕业于兰州大学，获学士学位。目前在中国大连化学物理研究所刘生忠教授指导下攻读博士学位。主要研究方向为钙钛矿量子点、宽禁带钙钛矿和叠层太阳电池。

研究团队介绍

薄膜大阳电池研究组(DNL1606)依托于洁净源国家实验室(筹)太阳能研究部、东北先进制造与材料大型仪器中心、大连市柔性光伏工程中心等先进科研平台。主要从事有关高效、低成本、柔性薄膜大阳能电池的相关研究，同时注重将研究结果放大并产业化。团队承担多项国家、省、市以及院级重点项目。