反式钙钛矿太阳能电池，光电转换效率创历史纪录

香港城市大学，Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)编委朱宗龙教授团队&伦敦帝国理工学院的Nicholas J. Long团队合作，通过合成出一种新型的二茂铁有机衍生物(ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate(FcTc2))，并应用于反式钙钛矿器件的功能化界面层，有效降低了器件的能量损失，实现了反式钙钛矿器件光电转换效率的创历史记录值25%。

同时，FcTc2界面修饰后的器件展现了优异的光照运行稳定性及湿热稳定性。该研究以 “Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”为题，于2022年4月22日发表在世界顶级刊物《Science》杂志上。论文第一作者为李稹，李博，吴鑫，通讯作者为朱宗龙，Nicholas J. Long。

反式(p-i-n)钙钛矿太阳能太阳能电池因具有优异的运行稳定，较低的迟滞，可低温加工等特性近年来备受关注。但由于其存在与正式(n-i-p)器件相比光电转换效率较低，稳定性和使用寿命仍无法达到国际电工委员会对于商业化光伏器件的认定标准(IEC61215:2016)等问题，阻碍了其商业化的进程。钙钛矿活性层与电荷传输层界面间的缺陷和非理想电荷传输是制约反式钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的关键因素之一，因此有效的界面材料选择、设计与合成尤为重要。此前，有机材料因其可调控性和多功能性被广泛用作钙钛矿太阳能电池的界面层。然而，较低的导电性和载流子迁移率阻碍了其进一步的发展。相比之下，无机界面层材料因其具有高导电性和优异的光热稳定性备受关注，但是其刚性结构造成了在一定程度上不能很好地与钙钛矿表面紧密结合和形成相互作用。

图1 二茂铁衍生物界面调控钙钛矿示意图

为了解决由于材料特征造成的限制因素，朱宗龙团队/ Nicholas J. Long团队设计了一种二茂铁有机金属衍生物(ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate(FcTc2))功能化界面层，同时结合有机和无机材料特点进一步提升反式钙钛矿太阳能电池性能。FcTc2中的有机官能团有效地与钙钛矿表面上未配位的铅离子结合形成Pb-O键，减低了缺陷密度，同时由于二茂铁基团的富电子及其可离域的特性极大限度地提高了钙钛矿界面间的电荷传输速度。另外，由于FcTc2与钙钛矿表面有较强的结合力，可以有效的抑制钙钛矿成分的离子迁移和挥发，提升器件的稳定性。

本身是有机金属化学的专家的Nicholas Long教授说：“二茂铁的独特性质可以帮助解决钙钛矿电池所面对的难题。”朱宗龙教授解释说：“由我们联合团队所设计的二茂铁基有机金属化合物，可以通过强力的化学键，把离子牢牢地固定在钙钛矿的表面，从而降低太阳能电池对外部环境的敏感度，进而减慢了太阳能电池的降解。。”

图2 二茂铁衍生物助力实现高效稳定钙钛矿太阳能电池器件

通过采用本策略，反式器件的最高功率转换效率达到了记录值25%(认证效率24.3%)，同时，器件具有良好的可重复性，平均效率达24.5%。经过FcTc2界面修饰的后的钙钛矿器件的稳定性也得到了极大程度的提升，封装后的FcTc2基钙钛矿器件在连续光照条件下1500小时后仍能保持原始效率的98%。此外，在双85(85℃/85% RH)条件下，FcTc2基钙钛矿器件在1000小时后仍能保持原始效率的95%，符合IEC61215:2016的湿热环境稳定性的标准。同时，FcTc2基钙钛矿器件在200次冷热冲击(-40℃-85℃)循环后仍能保持初始效率的85%。

“我们是全球第一支科研团队成功把反式钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高至创纪录的25%，并通过了国际电工委员会（IEC）规定的稳定性测试标准”，朱宗龙教授总结到，“我们希望通过使用这种新颖的分子和简单方法，能加大钙钛矿能电池的生产规模，为全球迈向零碳排放的可持续发展目标作出贡献”。

相关论文信息：Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8566

Li, Z.; Li, B.; Wu, X.; Sheppard, S. A.; Zhang, S. F.; Gao, D. P.; Long, N. J.; Zhu, Z. L. Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells. Science 376, 416–420 (2022).

作为Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; Official Website: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清华大学创办，香港城市大学支春义教授和清华大学曲良体教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用，欢迎各位老师联系编辑部NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn。