宁波材料所在倒置结构钙钛矿太阳能电池研究方面取得重要进展

       双碳政策驱动下的光伏需求逐步呈现井喷式增长，未来光伏在一次性能源消费领域的占比将从不到1%提升到25%以上，光伏市场前景可期。钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为第三代新型太阳能电池，其单结电池实验室认证效率（PCE）已经达到26.14%，可与晶硅太阳能电池相媲美。PSCs在制备工艺和制造成本方面更具优势，未来有望替代晶硅电池，并将掀起光伏行业的新一轮技术变革。然而，钙钛矿薄膜中非辐射复合位点的存在以及钙钛矿光活性层和电荷传输层之间的能级不匹配是载流子收集和能量利用的障碍，导致严重的开路电压（V_OC ）损失；而且，钙钛矿薄膜中的缺陷在带隙内会产生阱能态，从而捕获载流子，加速了PSCs的降解。

       为解决这一问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所有机光电材料与器件团队在葛子义研究员的带领下，前期通过薄膜形貌调控、新型二维钙钛矿材料设计和载流子传输层修饰（Energy Environ. Sci. 2023, 16, 5423; Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e2022175; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301956; Infomat 2022, e12379；Nano Energy 2022, 93, 106800；Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3630；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416）等手段，大幅提升了刚性和柔性钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。近日，针对钙钛矿薄膜中晶体学缺陷多和钙钛矿太阳能电池的V_OC 损失严重的问题，团队设计了多功能三氟硼酸盐（PTFBK）作为钙钛矿前驱体溶液的添加剂。除了同时钝化钙钛矿薄膜中的阴离子和阳离子缺陷外，PTFBK还可以优化器件的能级排列，削弱载流子与纵向光学声子之间的相互作用，从而使载流子寿命大于3 µs。此外，还抑制了非辐射复合，提高了钙钛矿薄膜的结晶能力。因此，刚性和柔性倒置钙钛矿太阳能电池分别获得了24.99%和23.48%的功率转换效率。更重要的是，由于甲脒和氟之间的氢键作用，器件表现出显著的热、湿度和最大功率点跟踪下的运行稳定性。同时，钙钛矿层中降低的杨氏模量和残余应力也为柔性器件提供了良好的弯曲稳定性。

     相关成果以“Multifunctional Trifluoroborate Additive for Simultaneous Carrier Dynamics Governance and Defects Passivation to Boost Efficiency and Stability of Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.（https://doi.org/10.1002/anie.202316898）期刊上。宁波材料所硕士生李军、博士后谢莉莎为该论文的共同第一作者，宁波材料所葛子义研究员和博士后谢莉莎为该论文的通讯作者。该研究得到国家杰出青年基金（21925506）、国家自然科学基金（U21A20331、81903743、22209192、62275251）和博士后面上项目（2022M713242）的支持。

图 (a)添加剂与钙钛矿相互作用示意图；(b)热载流子释放过程示意图；(c)钙钛矿太阳能电池器件结构及J-V特性曲线

（新能源所 李军）