來源：科學10分鐘

研究背景

缺陷和機械上弱的界面嚴重破壞了鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的效率和穩定性。在這里，我們引入了一種線性聚合物，肝素鈉，作為n-i-pPSCs中的多功能界面橋接層。與通常使用的小分子界面改性/鈍化材料不同，肝素鈉具有功能團和離子，包括C00、SO3-和Na+，分布在主鏈的頂部和底部。因此，它通過強大的化學鍵連接SnO2電子傳輸層和鈣鈦礦薄膜，從而減輕缺陷并增強PSCs的異質界面鍵合。所產生的剛性器件的功率轉換效率(PCE)為26.61%(認證為26.54%)，是效率最高的PSC之一。我們還制造基于Sn02/肝素鈉的柔性PSC，其PCE達到25.23%。以肝素鈉為基礎的裝置表現出優異的操作和熱穩定性。在模擬1日條件下的最大功率點跟蹤1,800小時后，94.9%的初始PCE被保留。在85°C老化1800小時后，這些設備還保持了初始PCE的95.2%。

成果簡介

海南大學董碧桃研究員、沙特阿卜杜拉國王科技大學Omar F. Mohammed教授、中國科學院大學材料科學與光電技術學院鄭曉鵬副教授等人合作提出了使用肝素鈉（HS）聚合物作為界面橋接層的策略，成功提升了鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。該研究利用HS聚合物增強SnO2電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的結合力，并有效鈍化界面缺陷，從而提高了光電轉換效率和長期穩定性。研究成果以“Enhancing the Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells via a Polymer Heterointerface Bridge”為題，發表在《Nature Photonics》期刊上。值得注意的是，河南師范大學湯曉丹為本文第一作者。

研究亮點

1.首次提出使用HS聚合物作為界面橋接層，成功連接SnO2電子傳輸層和鈣鈦礦層，通過增強界面結合力和鈍化缺陷，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩定性。

2. 通過HS聚合物的引入，制備的鈣鈦礦太陽能電池達到了26.61%的功率轉換效率（PCE），1,800小時后仍保持94.9%的初始效率。

3. 該策略不僅在常規電池中取得優異表現，還成功應用于柔性鈣鈦礦太陽能電池，且將PCE提升至25.23%。

圖文導讀

圖1 HS修飾的電子傳輸層的形貌與能級對齊

圖1展示了HS聚合物作為界面橋接層在鈣鈦礦太陽能電池中的應用機制。圖中展示了HS如何連接SnO2電子傳輸層（ETL）和鈣鈦礦層。HS聚合物的結構包含帶有COO?、SO3?和Na+功能基團的線性骨架，這些功能基團分布在聚合物的兩端，能夠與SnO2和鈣鈦礦層表面形成強有力的化學鍵合，改善界面接觸并鈍化界面缺陷。圖1b通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像展示了HS層（厚度為3-5 nm）位于SnO2和鈣鈦礦之間的層狀結構。圖1c則通過紫外光電子能譜（UPS）測量證明HS修飾后的SnO2層的能帶結構發生了變化，尤其是Ec上升，優化了能級對齊，降低了界面能量障礙，從而促進了電子的提取。圖1d展示了整個器件的能級圖，表明HS改性對能級對齊和電荷傳輸的優化效果。

圖2 HS對鈣鈦礦光電性能的影響

圖2展示了HS對鈣鈦礦薄膜光電性能的提升效果。掃描電鏡圖像（a、b）顯示，HS修飾可顯著增大鈣鈦礦晶粒尺寸，有利于降低界面缺陷密度。二維GIXRD圖譜（c、d）進一步證明HS有助于改善薄膜結晶質量。瞬態吸收圖譜（e、f）表明，HS修飾樣品的激子壽命縮短，說明載流子提取更高效。穩態及時間分辨熒光光譜（g、h）顯示HS可有效抑制非輻射復合，提高界面電荷轉移效率。暗電流測試（i）計算得出HS顯著降低了陷阱態密度。圖（j、k、l）展示了通過QFLS和擬J-V曲線分析得出的能量匹配改善及偽PCE提升，進一步驗證了HS在促進電荷提取、降低能壘和提高器件光電性能方面的多重作用。

圖3 HS修飾對鈣鈦礦薄膜應力調控與界面黏附性能的增強作用

圖3展示了HS對鈣鈦礦薄膜機械性能的提升效果。GIXRD測試結果（a、b）顯示，未修飾樣品在不同傾角下出現明顯峰位偏移，說明存在應力；而HS修飾樣品峰位穩定，說明應力緩解效果明顯。圖3c進一步通過2θ與sin2ψ的線性擬合驗證了這一結論，未修飾樣品呈現負斜率（拉應力），而HS修飾樣品為輕微正斜率（微弱壓應力），表明HS有效緩解殘余應力。圖3d通過雙懸臂梁測試比較了界面斷裂能（Gc），結果表明HS修飾使界面斷裂能提高超過兩倍，顯著增強了界面結合強度。這歸因于HS在SnO?與鈣鈦礦之間形成的穩固化學鍵合。

圖4 HS與鈣鈦礦和SnO?的相互作用功能及SnO?/鈣鈦礦界面的電子特性

圖4分析了HS在SnO?與鈣鈦礦之間的結合機制及其對界面電子結構的影響。通過密度泛函理論（DFT）計算，圖4a–c展示了HS分子中COO?和SO??基團分別與鈣鈦礦中的Pb原子和SnO?中的Sn原子形成強配位鍵，結合能顯著，表明HS具備穩定的橋接作用。圖4d–e的電荷密度差異圖進一步揭示了HS引起的界面電荷重新分布，有效促進載流子傳輸。XPS測試結果（圖4f–h）驗證了理論預測：Sn、Pb和I的結合能均出現位移，表明HS參與了實際的化學鍵合。實驗結果表明，HS不僅通過化學鍵提升界面結合強度，還通過電荷調控優化器件的電性能，為界面工程提供了有效策略。

圖5 原始SnO?和SnO?/HS的鈣鈦礦太陽能電池器件性能與穩定性分析

圖5展示了HS對鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）光電性能和穩定性的提升作用。J-V曲線（a）顯示，引入HS后器件效率從25.35%提升至26.61%，主要歸因于更高的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）。EQE曲線（b）與穩態功率輸出（c）進一步驗證了其優異性能。PCE統計（d）表明HS器件性能更穩定、分布更集中。HS同樣適用于柔性器件（e、f），效率由23.8%提升至25.23%。在連續光照（g）、高溫老化（h）及多次彎折（i）測試中，HS修飾器件分別保持94.9%、95.2%和95.5%的初始效率，顯著優于對照組，充分證明HS在提升器件性能和可靠性方面的顯著作用。

總結展望

本研究證明，采用HS作為SnO?與鈣鈦礦層之間的聚合物橋接層，可有效提升鈣鈦礦太陽能電池的效率與長期穩定性。HS不僅通過其豐富的官能團實現界面缺陷鈍化，還通過增強異質結結合力，改善器件的機械與熱穩定性。該策略在常規與柔性器件中均表現出優異性能，具備廣泛適用性。聚合物界面工程將在鈣鈦礦電池的產業化過程中發揮重要作用。進一步開發具有特定結構和功能的高分子材料，有望實現更高效、更穩定、可擴展的鈣鈦礦器件。

文獻信息

Enhancing the efficiency and stability of perovskite solar cells via a polymer heterointerface bridge. nature photonics, https://doi.org/10.1038/s41566-025-01676-3

由于公眾號改版，為防錯過更多資源，給我們加個星標吧

說明：來源：科學10分鐘，如需轉載，請在開頭注明來源。僅供學習交流分享使用，版權歸原作者所有，文章只代表作者本人觀點，不代表公眾號立場。如有侵權，請聯系我們（Hilib oy）刪除，感謝支持！也歡迎有興趣的朋友分享、投稿、申請轉載、互開長白。

了解更多信息

↓↓↓歡迎點贊和推薦哦