非對稱自組裝分子助力鈣鈦礦/硅疊層電池效率刷新至34.6%！

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池（TSCs）憑借優異的光電性能和突破單結電池效率極限的潛力，已成為下一代高效光伏技術的研究熱點。然而，隨著寬禁帶鈣鈦礦（WBG PSCs）被廣泛應用于TSCs，其界面處的非輻射復合問題日益突出，嚴重制約了器件效率的進一步提升。如何構建兼具高覆蓋性與優異能級匹配的空穴選擇層（HSL），成為當前亟待攻克的技術難題。

在此，隆基綠能中央研究院何博博士、徐希翔博士、李振國博士、何永才博士、劉江教授設計了一種新型不對稱自組裝單分子層（HTL201），它由咔唑核心和兩側的錨定基團與間隔基團組成，用作鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中的空穴選擇層。相比傳統對稱結構、含氮的膦酸基自組裝分子，HTL201 結構上的不對稱設計有效減小了空間位阻，使其可以更均勻、完整地覆蓋在透明導電氧化物（TCO）層表面。同時，HTL201 與鈣鈦礦薄膜之間存在強烈的配位作用，能顯著降低界面處的非輻射復合，提升器件效率。此外，HTL201 還能優化鈣鈦礦與自身之間的能級匹配，并提高鈣鈦礦層的準費米能級分裂（QFLS），這些因素共同作用，使得疊層電池的開路電壓接近 2 V。最終，在硅異質結（SHJ）太陽能電池結構下，該電池實現了高達 34.58% 的認證光電轉換效率。相關成果以“Efficient perovskite/silicon tandem with asymmetric self-assembly molecule”為題，發表在《Nature》上，第一作者為Lingbo Jia、Simeng Xia、Jian Li、Yuan Qin為共同一作。

值得一提的是，這已是隆基綠能自去年以來發表的第4篇《Nature》了。

分子結構設計界面相互作用

與傳統對稱結構的自組裝單分子（SAMs）不同，HTL201在咔唑主鏈兩側巧妙引入了間隔基團與磷酸錨定基團，形成獨特的非對稱空間結構（圖1a）。該結構有效降低了分子間的空間位阻，增強了分子與透明導電氧化物（TCO）重組層的相互作用，分子動力學模擬結果顯示，HTL201在IZO表面的吸附能顯著高于對比組（圖1b），吸附過程呈現出典型的快速物理吸附、化學吸附與有序排列三階段（圖1c）。得益于優化的分子結構，HTL201在IZO表面形成了更高覆蓋率（圖1d），界面致密性也得到明顯提升（圖1e）。X射線光電子能譜（XPS）測試進一步證實，HTL201的磷元素特征信號強烈，且經多次乙醇沖洗后仍保持較高的覆蓋因子，體現出其優異的穩定性與致密性（圖1f）。此外，密度泛函理論（DFT）計算揭示，HTL201與鈣鈦礦之間形成更強的結合能與更短的N-Pb距離，非對稱結構設計帶來的偶極增強效應，有效促進了界面缺陷鈍化（圖1g，h）。

圖1 ：不同SAM在IZO上的分數覆蓋范圍以及SAMS418和鈣鈦礦之間的相互作用

光電性能

基于HTL201構建的單片式鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池展現出卓越性能。器件整體結構如圖2a所示，截面掃描電鏡（SEM）圖清晰顯示各功能層的均勻覆蓋（圖2b）。系統對比數據顯示，HTL201組器件平均PCE高達34.22%，最高效率達到34.60%，其中開路電壓（VOC）高達2.001V，短路電流密度（JSC）為20.64 mA/cm2，填充因子（FF）為83.79%，全面優于傳統Me-4PACz與MeO-4PACz對比組（圖2c-f）。J-V曲線（圖2g）與外量子效率（EQE）測試（圖2h）進一步印證了HTL201的性能優勢。值得注意的是，HTL201組器件通過了ESTI權威認證，實測PCE為34.58%（圖2i），刷新了當前鈣鈦礦/硅疊層電池的最高效率紀錄。

圖2：基于不同HSL的串聯太陽能電池的設備性能

SAM對電荷動態的影響

在界面電荷動力學方面，HTL201展現出顯著優勢。PLQY測試表明，HTL201基底上的鈣鈦礦薄膜非輻射復合損失最低，PLQY值達到0.399%（圖3a），對應的QFLS高達1.270V（圖3b），為實現高VOC提供了關鍵保障。偽填充因子（pFF）與實際FF的差值較小，系列電阻也更低，表明界面傳輸損耗與復合顯著抑制（圖3c）。紫外光電子能譜（UPS）測試揭示，HTL201與鈣鈦礦之間的能級差最小，有利于空穴提取與能量匹配（圖3d-g）。導電原子力顯微鏡（C-AFM）結果也表明，HTL201組薄膜整體電導性最高，界面電荷傳輸更順暢（圖3h）。

圖3：不同SAM對電荷載體動力學的影響

穩定性測試

長期穩定性是衡量高效電池實用性的關鍵。HTL201基疊層電池在未封裝條件下儲存1080小時后，仍保留98.9%的初始效率，遠優于對比組（圖4a）。封裝器件在25°C與45°C環境下連續工作1020小時，PCE分別保持在98.0%與91.3%（圖4b，4c），展現出出色的運行穩定性。循環伏安（CV）與核磁共振（NMR）測試進一步確認，HTL201分子具備優異的電化學穩定性與結構穩定性，保障了器件在長期光照下的可靠運行。

圖4 ：TSC的長期穩定性

小結

本研究通過原創性的非對稱自組裝單分子HTL201設計，系統解決了鈣鈦礦/硅疊層電池界面覆蓋不足與能級失配問題，顯著降低了界面復合、提升了器件效率與穩定性，助推疊層電池效率突破34.6%。該策略為高效、穩定的新一代光伏器件界面工程提供了創新思路，未來有望進一步推動疊層電池商業化應用進程。

來源：高分子科學前沿

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