北航黄建媚最新AEM：分子偶极子调控实现光利用效率高达5.10%的半透明钙钛矿太阳能电池

第一作者：靳金龙

通讯作者：黄建媚

单位：北京航空航天大学 能源与动力工程学院

半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）是叠层太阳能电池、建筑光伏一体化以及车辆光伏一体化系统中极具潜力的光伏器件。然而，高性能半透明钙钛矿太阳能电池的开发需平衡功率转换效率（PCE）和平均可见光透射率（AVT）。因此，光利用效率（LUE=PCE×AVT）成为半透明光伏中广泛使用的综合性能评价指标。实现高AVT对于ST-PSC的实际应用至关重要，但这不可避免地会减少光吸收，从而降低了短路电流密度。因此，提高开路电压可以作为一种有效的策略来提升PCE。宽带隙钙钛矿CsPbI₂Br因其优异的AVT（带隙≈1.9 eV）和理论开路电压（VOC≈1.6 V），成为半透明钙钛矿太阳能电池的理想候选材料。因此，基于CsPbI₂Br钙钛矿材料的半透明光伏器件不仅可以确保良好的AVT，还为通过改善开路电压来实现PCE的提升提供了潜在的可能。

近日，北京航空航天大学黄建媚副教授团队在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Semi-Transparent Perovskite Solar Cells with High Light-Utilisation Efficiency of 5.10% Fabricated Through Molecular Dipole Engineering”的研究文章。该文章首次将3,5-二氟苯甲脒盐酸盐（DFBA）作为路易斯酸碱偶极子添加剂引入钙钛矿前驱体溶液中，通过F⁻和Pb²⁺之间的相互作用以及Pb[I/Br]₆⁴⁻八面体内的氢键作用(N–H…I/Br) ，有效地调节了钙钛矿薄膜的结晶性能并显著降低了缺陷密度。双功能添加剂的引入还优化了半透明钙钛矿太阳能电池中的能级排列，促进了钙钛矿和传输层界面之间的电荷提取，从而大幅降低了器件的开路电压损失。因此，半透明钙钛矿太阳能电池的光利用效率为5.10%（对应的PCE=16.32%和AVT=31.22%），实现了最高的光利用效率之一。该策略在保持半透明钙钛矿太阳能电池的高平均可见光透射率的同时有效提高了光电转换效率，从而促进了其实际应用。

通过引入两性离子型Lewis酸碱偶极分子DFBA（3,5-二氟苄脒盐酸盐），实现了对CsPbI₂Br薄膜结晶过程的精准调控。DFBA分子中的F−和Pb2+形成强配位作用，同时胺基（–NH₂）与卤素（I/Br）形成氢键（N–H⋯I/Br），双位点协同作用显著增大了晶粒尺寸并促进晶粒的纵向生长。改性薄膜晶粒尺寸由450 nm增至650 nm，结晶度也获得提升（XRD峰半高宽变窄）。此外，钙钛矿薄膜的表面粗糙度从27.1 nm降至18.5 nm，为后续超薄金属电极的均匀沉积奠定了基础。

DFBA添加剂通过双功能基团协同钝化体相与界面缺陷。稳态荧光光谱（PL）与二维荧光成像表明，改性薄膜在玻璃基底上下表面的PL强度分布均匀性显著提升，证实埋底界面的缺陷被有效地抑制。时间分辨荧光（TRPL）光谱显示，相比于未添加DFBA的钙钛矿薄膜（7.87 ns），改性后的钙钛矿薄膜在SnO₂基底上的载流子寿命缩短至7.21 ns。同样地，相比于未添加DFBA的钙钛矿薄膜（10.76 ns），涂覆Spiro-OMeTAD后的改性钙钛矿薄膜的载流子寿命缩短至9.29 ns，这表明电子传输层与空穴传输层界面处的电荷提取效率均得到了优化。该机制归因于DFBA降低非辐射复合损失，为高开路电压（VOC）奠定基础。

通过构建α-SnO₂和β-SnO₂的双层电子传输结构，ITO/α-SnO₂/β-SnO₂/钙钛矿形成梯度能级排列，显著降低电子传输势垒。莫特-肖特基测试显示内置电场从1.02 V增强至1.13 V，空间电荷限制电流测得电子缺陷密度从9.66×10¹⁵ cm⁻³降至4.42×10¹⁵ cm⁻³，空穴缺陷密度从9.98×10¹⁵ cm⁻³降至4.75×10¹⁵ cm⁻³。此外，理想因子n从1.837降至1.128。以上均证实DFBA同步优化能带对齐并抑制陷阱辅助复合，使VOC提升至理论值的87%（1.377 V）。

通过密度泛函理论计算与实验表征揭示了DFBA与钙钛矿的原子级相互作用机制。DFT模拟表明，单一F–Pb配位的吸附能为–0.3679 eV，而F–Pb配位与N–H⋯I氢键协同作用时吸附能提升至–0.8257 eV。傅里叶变换红外光谱中C–F键振动峰从1333.75 cm⁻¹偏移至1332.25 cm⁻¹，N–H峰从3328.5 cm⁻¹移至3320.5 cm⁻¹，证实DFBA与钙钛矿之间存在的化学键合作用。掠入射X射线衍射进一步证明DFBA抑制了晶格应变，减少八面体畸变。

基于5 nm MoO₃/8 nm Au的透明电极设计，半透明CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池在可见光区（650–780 nm）的透光率高于60%，改性器件的AVT为31.22%。得益于VOC的提升与缺陷抑制，改性器件的PCE提升至16.32%，LUE达到5.10%，是当前半透明钙钛矿电池最高水平之一。

Semi-Transparent Perovskite Solar Cells with High Light-Utilisation Efficiency of 5.10% Fabricated Through Molecular Dipole Engineering

黄建媚副教授，博士生导师，入选北京市科技新星、CSC未来科学家等。主要从事太阳能转换与氢能存储以及应用于电推进飞行器的基础研究。目前已发表国际高水平SCI论文40余篇，其中以第一/通讯作者在Advanced Materials（3）、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials等Q1期刊发表论文20余篇，并有5篇12次入选ESI高被引论文，有6篇入选JACS等期刊封面；已获授权和受理中美发明专利12项；主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、科技委项目、北京市科技新星计划等项目6项，参与国家重点研发计划、科技委与空装项目3项；担任Q1期刊Rare Metals 青年编委、Advanced Functional Materials、ACS Nano等10多个国际高水平期刊审稿人。