河北工大等中国团队新分子策略使钙钛矿电池效率达27.39%
来自河北工业大学、嘉兴南湖学院（Jiaxing Nanhu University）和天津大学的研究团队提出一种空间门控双位点螯合（SGDC）分子设计策略，用于钙钛矿太阳能电池。该策略通过减少钙钛矿薄膜中的缺陷，将实验室电池效率提升至27.39%，并在面积大于150平方厘米的双面迷你组件上实现了22%以上的功率转换效率。
钙钛矿薄膜在快速结晶过程中会在表面、晶界和埋底界面留下细微缺陷。该研究第一作者Cong Chen表示，分子添加剂虽然能缓解这些不完美之处，但设计必须把握平衡：强相互作用有利于钝化缺陷，而过度的分子堆积或绝缘界面层的形成，反过来会阻碍电荷传输。添加剂工程由此提供了一条通过调节结晶同时钝化电子缺陷的实用路线，理想的添加剂既要做到强缺陷结合、不阻挡电荷传输，最好还能为器件提供额外的环境应力防护。
团队提出的SGDC分子设计由带有两个羧甲基配位臂的刚性三维金刚烷骨架构成，能对欠配位铅离子（Pb²⁺）进行强螯合，并从空间上调节局部分子堆积。研究人员使用的金刚烷基分子添加剂名为ADA-DA，其两个羧甲基可同时与欠配位Pb²⁺配位，刚性的三维金刚烷核心则用于控制分子堆积、避免过度的界面拥挤。Chen介绍，这一组合实现了空间门控双位点螯合，既可强钝化缺陷，又不阻碍电荷传输；实验测量证实，ADA-DA与铅离子、碘离子都表现出强相互作用。
采用该策略得到的钙钛矿薄膜拥有更大晶粒、更少晶界，形貌也更致密光滑。ADA-DA分子遍布钙钛矿层，且优先聚集在表面和晶界等最需要钝化的区域。电学测量显示，电子与空穴陷阱密度均大幅降低。
研究团队制作的器件为倒置p-i-n结构，由ITO基底、氧化镍（NiOₓ）与自组装单分子层构成的空穴传输层、钙钛矿吸光层、富勒烯（C60）电子传输层、浴铜灵（BCP）缓冲层及银电极组成；掺入ADA-DA的钙钛矿薄膜通过真空闪蒸结晶工艺沉积。在标准光照条件下，器件功率转换效率达到27.39%，未使用该策略的参考电池为26.24%。研究团队表示，这一结果已通过未披露名称的独立第三方机构认证。
在放大验证中，团队将ADA-DA修饰电池扩展为双面迷你组件，两面分别使用透明ITO或氧化铟锌（IZO）电极。面积为163.93平方厘米的13电池组件在玻璃/ITO侧面受光时，峰值功率转换效率为22.21%；面积为151.32平方厘米的12电池组件在IZO侧受光时，峰值效率达到22.33%。Chen表示，双面结构把高效率与透明、双面受光特性结合在一起，适用于建筑一体化光伏（BIPV）。
在稳定性测试中，面积为151.32平方厘米的ADA-DA组件在连续白光LED照射下运行超过5000小时，输出功率从1028.5毫瓦降至1024.1毫瓦，保持在初始值的99.6%。相关成果以“Steric-gated dual-site chelation enables 27.3% efficient perovskite solar cells and ultra-stable 22% bifacial modules”为题，发表在《Joule》期刊上。
