Alex K.-Y. Jen&許宗祥&Aydin Joule：分子界面功能化強化織構(gòu)化鈣鈦礦 / 硅疊層電池電荷提取性能

主要內(nèi)容

單片鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池因可突破單結(jié)器件的理論效率極限，已成為實現(xiàn)高效、高性價比光伏技術(shù)的重要途徑。在該領(lǐng)域中，p–i–n型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)憑借制備工藝簡單、光學調(diào)控效果優(yōu)異的優(yōu)勢備受關(guān)注。自組裝分子（SAMs）作為可調(diào)控的空穴選擇層，在這類器件中扮演關(guān)鍵角色，能夠優(yōu)化能級匹配，同時抑制鈣鈦礦/復合層界面處的載流子復合。盡管已取得上述進展，但在織構(gòu)化表面實現(xiàn)自組裝分子均勻且穩(wěn)定的覆蓋，仍是鈣鈦礦/硅疊層電池面臨的一大挑戰(zhàn)。

針對這一挑戰(zhàn)，慕尼黑大學（LMU Munich）Erkan Aydin、南方科技大學許宗祥以及香港城市大學Alex K.-Y. Jen、Geping Qu等人團隊提出核心研究假設(shè)：對用作空穴傳輸材料的4PADCB分子進行共軛連接基團功能化修飾，有望提升疊層電池的光伏性能。

在對采用C-4PADCB與Bz-PhpPACz的鈣鈦礦/硅疊層電池開展初步篩選實驗時，研究團隊觀察到C-4PADCB基器件表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，后續(xù)溯源發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象源于材料中存在的溴雜質(zhì)。這一意外發(fā)現(xiàn)為后續(xù)分子設(shè)計提供了重要啟發(fā)，基于該關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，團隊設(shè)計并合成了溴取代的4PADCB衍生物——Bz-PhpPABrCz（即(4-(5-溴-7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)苯基)膦酸），并將其與Bz-PhpPACz（即(4-(7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)苯基)膦酸）共混，構(gòu)建出二元混合自組裝分子層（Mix SAM, Mixed Self-Assembled Monolayer），成功在織構(gòu)化界面實現(xiàn)了更高效的空穴提取與缺陷鈍化效果。

實驗與計算分析結(jié)果表明，共軛型自組裝分子因其較強的分子間相互作用，以及在氧化銦錫（ITO）基底上較高的堆積能，可在織構(gòu)化硅基底表面形成更致密的覆蓋層。因此，沉積于混合自組裝分子層與C-4PADCB層上的鈣鈦礦薄膜，晶格應變減小、表面褶皺減少，結(jié)晶質(zhì)量顯著提升。研究團隊采用的瞬態(tài)表面光電壓（Tr-SPV）分析技術(shù)進一步證實，混合自組裝分子層基鈣鈦礦薄膜具備高效電荷提取能力，這得益于共軛連接基團對光生空穴的高效分離作用；而溴取代修飾則可進一步強化粗糙織構(gòu)化表面的界面鈍化與空穴提取效率。

器件性能測試結(jié)果顯示，基于該混合自組裝分子層的器件，填充因子與光電轉(zhuǎn)換效率顯著提高；對寬帶隙單結(jié)器件的穩(wěn)定性測試也證實，含共軛連接基團的自組裝分子層可賦予器件更優(yōu)異的穩(wěn)定性。

本研究結(jié)果表明，自組裝分子的共軛化修飾有助于改善電荷傳輸性能，這對在粗糙織構(gòu)化表面難以形成完美有序單分子層的自組裝分子體系而言具有尤為重要的價值；同時，自組裝分子端基中的溴元素，是實現(xiàn)織構(gòu)化疊層電池性能**化的關(guān)鍵因素。此外，研究還強調(diào)了實驗中嚴格把控商用自組裝分子純度的重要性——非刻意引入的雜質(zhì)可能改變界面特性，進而干擾不同研究間結(jié)果的公允對比。

綜上，該研究為自組裝分子的分子設(shè)計提供了關(guān)鍵理論指導，也為鈣鈦礦基光電器件高性能界面層的合理構(gòu)建開辟了新路徑。

文獻信息

Enhanced charge extraction in textured perovskite-silicon tandem solar cells via molecular contact functionalization

Jian Huang，Letian Zhang，Cem Yilmaz，Geping Qu，Ido Zemer，Rik Hooijer，Siyuan Cai，Ali Buyruk，Hao Zhu，Meriem Bouraoui，Achim Hartschuh，Ryota Mishima， Kenji Yamamoto7， Caner Deger，Ilhan Yavuz，Alex K.-Y. Jen，Esma Ugur，Stefaan De Wolf，Igal Levine， Zong-Xiang Xu，Erkan Aydin

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00408-8

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