晶澳聯合高校ACS：FF 88%，PCE25.2%！T形線性有機半導體界面層助力高效NiOx基鈣PSCs

主要內容

在基于氧化鎳（NiOx）的反式鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的研究進程中，界面缺陷與能級錯位猶如兩座難以逾越的大山，持續(xù)阻礙著該領域向更高性能與更優(yōu)穩(wěn)定性邁進。界面缺陷作為非輻射復合的中心，會捕獲光生載流子，導致開路電壓（Voc）顯著降低；而能級錯位則會形成電荷傳輸勢壘，阻礙空穴與電子的有效分離和提取，使得填充因子（FF）大幅下降。二者相互交織、協同作用，不僅嚴重限制了光伏性能的提升，還加速了鈣鈦礦材料的降解，引發(fā)晶體結構破壞、離子遷移加劇等一系列問題，成為制約反式鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模商業(yè)化應用的關鍵瓶頸。

在此關鍵研究背景下，淮陰工學院蔣青松教授、天津理工大學化學化工學院宗雪平副教授與晶澳科技展開深度合作，集結多學科優(yōu)勢力量組建科研團隊。該團隊突破傳統(tǒng)研究思路，通過精心設計的垂直π - 延伸策略，運用**的有機合成技術，成功制備出一種新型T形線性半導體材料（WH14），并將其創(chuàng)新性地引入基于NiOx的鈣鈦礦太陽能電池體系，作為關鍵界面修飾層。

從分子結構與界面相互作用的微觀層面深入探究，WH14獨特的T形分子構型賦予其完全暴露的雜原子（如氮、氧等）。這些雜原子憑借其未成對的孤對電子，能夠與鈣鈦礦表面配位不足的Pb2?離子通過強配位鍵形成穩(wěn)定的化學鍵合。通過X射線光電子能譜（XPS）和擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）等**表征技術可以證實，這種強配位作用有效填補了鈣鈦礦表面的空位缺陷，顯著降低了界面處的缺陷態(tài)密度（從原來的1013cm?2量級降低至1011cm?2量級），從而大幅減少了非輻射復合損失，為提升器件的開路電壓奠定了堅實基礎。

與此同時，WH14在界面處構筑了一道物理與化學雙重防護屏障。一方面，其獨特的分子構型能夠在鈣鈦礦與NiOx界面形成一層致密的分子薄膜，從物理空間上阻礙鈣鈦礦與Ni3?的直接接觸；另一方面，WH14分子中的某些官能團能夠與Ni3?發(fā)生絡合反應，形成穩(wěn)定的化學絡合物，進一步抑制了氧化反應的發(fā)生。通過原位X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現，經WH14修飾后的器件在老化過程中，鈣鈦礦晶體的結構完整性得到了更好的保持，未出現明顯的晶體分解和相變現象，有效避免了因氧化反應引發(fā)的性能衰減，為器件的長期穩(wěn)定性提供了有力保障。

尤為突出的是，WH14分子中的二噻吩并吩嗪（DTPA）中心核具有獨特的吸電子特性。密度泛函理論（DFT）計算結果表明，這一特性使得WH14的最高占據分子軌道（HOMO）能級顯著降低至 -5.6 eV 左右，與鈣鈦礦的價帶能級（-5.4 eV）以及NiOx的功函數（-5.2 eV）實現了近乎完美的能級匹配。這種精準的能級對齊為界面處高效的空穴提取創(chuàng)造了極為有利的條件。通過瞬態(tài)光電壓（TPV）和瞬態(tài)光電流（TPC）測試發(fā)現，經WH14修飾后，器件的電荷提取時間縮短了近一個數量級，電荷傳輸速率顯著提高，有效減少了電荷在界面處的積累與復合，進而提升了器件的填充因子與短路電流密度（Jsc）。

在實際器件性能測試中，經WH14修飾的基于NiOx的鈣鈦礦太陽能電池展現出了令人矚目的光伏性能。在標準測試條件下（AM 1.5G，100 mW/cm2），其光電轉換效率（PCE）高達25.20%，較未修飾的基于NiOx的器件（PCE = 22.50%）有了顯著提升。同時，器件的開路電壓達到了1.15 V，短路電流密度為24.8 mA/cm2，填充因子為 0.88，各項性能參數均達到了國際**水平。

在長期穩(wěn)定性測試方面，WH14同樣表現**。將器件置于環(huán)境空氣中（溫度 25 ± 5 °C，相對濕度 30 ± 10%）進行老化測試，經過1200小時后，器件仍能保持初始效率的80%以上。通過電化學阻抗譜（EIS）分析發(fā)現，經WH14修飾后的器件在老化過程中，其界面電阻和電荷傳輸電阻的增長幅度明顯小于未修飾器件，這進一步證明了WH14在抑制界面反應、提高器件長期穩(wěn)定性方面的顯著效果。

該研究不僅為解決基于NiOx的反式鈣鈦礦太陽能電池中的界面缺陷與能級錯位問題提供了一種創(chuàng)新且行之有效的解決方案，更充分彰顯了分子工程在精準調控材料結構與性能、開發(fā)高性能線性有機半導體方面的巨大潛力。通過分子設計實現材料性能的定制化，為鈣鈦礦太陽能電池界面修飾材料的研究開辟了新的方向。同時，該研究成果也為反式鈣鈦礦太陽能電池的進一步發(fā)展和商業(yè)化應用奠定了堅實的理論基礎和技術支撐，有望推動該領域向更高效率、更穩(wěn)定的方向邁進。