兰州大学曹靖教授团队 AM：绿色卟啉界面锚定策略助力 n-i-p 钙钛矿太阳组件效率突破 24%

第一作者：锁真阳，董润民

通讯作者：曹靖*

单位：兰州大学化学化工学院、兰州大学氢能与低碳中心、甘肃省有色金属化学与资源利用重点实验室、天然产物化学国家重点实验室

钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借带隙可调、光电性能优异、溶液法制备成本低等优势，成为下一代光伏技术的核心候选。目前小面积 PSCs 认证效率已突破 27%，但大面积钙钛矿太阳组件（PSMs）效率仍徘徊在 23% 左右，难以满足商业化需求。

核心瓶颈在于规模化过程中埋底界面的非辐射复合加剧：n-i-p 型器件中，化学浴沉积（CBD）法制备的 SnO₂是常用电子传输层（ETL），但其表面存在氧空位等陷阱，与钙钛矿形成的埋底界面易出现结晶不均、结构不连续等问题，导致载流子传输损失严重。

近日，兰州大学曹靖教授团队在材料领域顶刊Advanced Materials发表题为 “Green Porphyrin Interface Anchoring Enables>24% Efficiency in n-i-p Perovskite Solar Minimodules” 的研究论文。

• 分子结构优势：设计的 ZnTPPS 分子带有四个磺酸基团，具有良好水溶性，可通过水基后处理工艺修饰界面，避免有机溶剂带来的环境问题；Zn²⁺的 d¹⁰电子构型能实现连贯的轨道极化和动态电荷离域，相比 Cu²⁺（d⁹）、Ni²⁺（d⁸）基卟啉，载流子散射更少。
• 双端配位作用：XPS 和 FTIR 表征证实，ZnTPPS 的两个磺酸基团与 SnO₂中的 Sn⁴⁺形成牢固配位键，另外两个与钙钛矿中的 Pb²⁺配位，形成垂直锚定的界面结构，有效填补界面空隙、钝化缺陷位点。
• 强偶极矩特性：静电势分析显示，ZnTPPS 的固有偶极矩达 10.12 D，源于带正电的 Zn²⁺中心与带负电的外围磺酸基团之间的强静电势差，能建立内部电场，促进载流子定向传输。

• SnO2层性能提升：ZnTPPS 修饰使 SnO2薄膜表面粗糙度从 26.9 nm 降至 23.6 nm，导电性电流响应从 2.221 nA 提升至 6.595 nA，导电性显著增强；同时保持优异的光学透明性（200-850 nm 范围内透光率差异仅≈1%），不影响光吸收。
• 钙钛矿结晶调控：原位 GIWAXS 分析表明，ZnTPPS 修饰延长了钙钛矿结晶的中间相持续时间，使晶粒更均匀、晶界更洁净，界面空隙显著减少；XRD 测试证实钙钛矿结晶度提升，Urbach 能量降低，缺陷密度减少。
• 应变缓解与稳定性增强：GIXRD 应变分析显示，ZnTPPS 修饰将钙钛矿薄膜的固有拉伸应力转变为轻微压应力，结构稳定性显著提升，减少了循环过程中的晶粒破裂风险。

• 能级对齐优化：KPFM 和 UPS 测试表明，ZnTPPS 修饰改善 SnO2的功函数，同时提高了钙钛矿埋底界面的功函数，优化了界面能带对齐，减少电子注入势垒。
• 复合损失抑制：修饰后器件的准费米能级分裂（QFLS）增大，隐含开路电压（iVoc）提升；理想因子低至 1.22（接近理论值 1），Shockley-Read-Hall（SRH）复合被有效抑制；陷阱态密度从 3.14×10¹⁵ cm⁻³ 降至 1.27×10¹⁵ cm⁻³。
• 器件性能飞跃：小面积（<0.1 cm²）器件 PCE 达 26.66%（Vₒc=1.198 V，Jₛc=26.07 mA cm⁻²，FF=85.35%）；21.54 cm² 组件效率达 24.49%（认证 23.95%），FF 超 84%，为目前 n-i-p 型钙钛矿组件的最高值之一。

• 优异长期稳定性：采用 PEDOT:CuPC 复合空穴传输层的修饰器件，在连续 MPPT 测试 1537 h 后仍保持初始效率的 90%；85℃、25-30% 相对湿度条件下，钙钛矿薄膜结构完整性良好，无明显分解。
• 规模化兼容性：6×6 cm² 钙钛矿薄膜表现出均匀的光致发光特性，证明 ZnTPPS 修饰工艺具有良好的规模化兼容性；激光刻蚀制备的系列组件再现性优异，为商业化生产提供了可能

Green Porphyrin Interface Anchoring Enables >24% Efficiency in n-i-p Perovskite Solar Minimodules

曹靖教授简介：兰州大学化学化工学院教授、博士生导师。博士毕业于厦门大学化学化工学院，导师为郑南峰院士。2017年加入兰州大学化学化工学院。入选教育部青年长江学者奖励计划、中国化学会 “青年人才托举工程” 托举人才、甘肃省杰出青年基金以及陇原创新创业人才等项目，2023 年获评 “强国青年科学家提名”。还担任《Chin. Chem. Lett.》期刊编委以及《Inorg. Chem. Front.》《Chin. J. Struct. Chem.》期刊青年编委。主要研究方向集中在新型能源材料的设计合成以及光伏应用研究，主要包括染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。近年来在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、等化学/材料领域顶级期刊发表论文 60 余篇。

锁真阳，兰州大学化学化工学院在读博士，主要研究方向为高效稳定钙钛矿太阳能电池以及组件，在导师曹靖教授指导以及支持下致力于大面积钙钛矿模组的高效以及稳定性研究，在Adv. Mater. 、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy & Environmental Science等期刊发表多篇论文。

兰州大学化学化工学院曹靖教授课题组主要从事卟啉/酞菁配合物光电材料设计合成及其在钙钛矿太阳能电池中的应用，近年来在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、EES、CCS Chem.等期刊发表论文60余篇。