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第一作者：李稹，李博，吳鑫

通訊作者：朱宗龍，Nicholas J. Long

通訊單位：香港城市大學，倫敦帝國理工學院

研究亮點：

鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層界面間的缺陷和非理想電荷傳輸是制約反式鈣鈦礦太陽能電池效率和穩定性的關鍵因素之一，因此有效的界面層材料選擇尤為重要。二茂鐵有機金屬衍生物同時具備了有機材料和無機材料的優異特性，作為功能化界面層可以有效降低反式鈣鈦礦太陽能電池界面中的非輻射復合，同時加快電荷傳輸速度，最終實現了反式器件的效率記錄(25%)和優異的穩定性，為設計穩定高效的鈣鈦礦太陽能電池界面材料提供了新思路。

成果簡介：

近日，香港城市大學的朱宗龍博士團隊聯合英國倫敦帝國理工學院Nicholas J. Long教授團隊，利用傳統材料二茂鐵結合功能化的有機官能團設計出一種二茂鐵有機金屬衍生物(ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate(FcTc₂))。傳統二茂鐵材料具有的富電子可離域的特性能極大的提高了界面間的載流子遷移率，同時有機官能團有效地與鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子結合形成Pb-O鍵，降低了缺陷態密度。通過FcTc₂界面修飾后的器件，其開路電壓(V_OC)以及填充因子(FF)得到了較大的提升，實驗室測試效率達到了反式鈣鈦礦太陽能電池記錄效率25%（認證效率為24.3%）。FcTc₂界面修飾后的器件展現了優異的穩定性，在長期光照1500小時后仍維持在初始效率的98%，在濕熱環境下(85℃/85% RH)的穩定性測試通過了IEC61215:2016的國際標準。該發現為鈣鈦礦太陽能電池界面材料設計提供了新的選擇。該工作發表在4月22日的Science上，題為：“Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells”。該論文第一作者為香港城市大學博士生李稹，博士后研究員李博，博士生吳鑫。

圖1. FcTc₂功能化后的鈣鈦礦薄膜表征。

研究人員采用二茂鐵金屬有機衍生物(FcTc₂)修飾鈣鈦礦/C60界面，不影響鈣鈦礦的結晶及其光學特性。X射線光電子能譜(XPS)數據和密度泛函理論(DFT)模擬計算結果表明，FcTc₂與鈣鈦礦表面有較強的相互作用，FcTc₂中的O原子與鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子形成牢固的Pb-O鍵，并顯著增強鈣鈦礦和FcTc₂之間的靜電吸引力，有利于鈣鈦礦表面的缺陷鈍化和提高鈣鈦礦結構的穩定性。

圖2. 鈣鈦礦薄膜表征。

研究者發現，經過FcTc₂修飾的鈣鈦礦表面具有更均勻的表面接觸電位分布，從而更有利于電荷傳輸以及降低非輻射復合。同時，由于FcTc₂與鈣鈦礦表面有較強的結合力，可以有效的抑制鈣鈦礦成分的離子遷移和揮發，為實現高效穩定的反式鈣鈦礦太陽能電池奠定基礎。

圖3. 器件性能表征。

圖4. 鈣鈦礦器件穩定測試。

通過采用FcTc₂作為鈣鈦礦活性層與電子傳輸層界面的修飾材料，反式器件的最高功率轉換效率達到了記錄值25%(認證效率24.3%)，其中V_OC: 1.184V (1.179V)，J_SC: 25.68 mA cm^-2 (25.59 mA cm^-2), FF: 82.32% (80.56%)，平均PCE達到24.5%且具有良好的可重復性。同時鈣鈦礦器件的穩定性也得到了極大程度的提升，封裝后的FcTc₂基鈣鈦礦器件在連續光照條件下1500小時后仍能保持原始效率的98%。此外，在雙85(85℃/85% RH)條件下，FcTc₂基鈣鈦礦器件在1000小時后仍能保持原始效率的95%，符合IEC61215:2016的濕熱環境穩定性的標準。此外，FcTc₂基鈣鈦礦器件在200次冷熱沖擊(-40℃-85℃)循環后仍能保持初始效率的85%。

參考文獻

Zhen Li et al. Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells. Science 2022, 376, 416-420.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8566