Nature Energy：通过具有普适性的给受体型空穴选择性接触材料构建高效全钙钛矿叠层太阳电池

第一作者：朱景伟，罗易

通讯作者：陈聪*，王漾*，赵德威*

单位：四川大学，福建师范大学

钙钛矿/钙钛矿（全钙钛矿）叠层太阳电池因理论效率高、制备成本低，并有望突破单结太阳电池的肖克利-奎伊瑟理论效率极限而备受关注。虽然目前全钙钛矿叠层太阳电池的效率已经超过单结钙钛矿太阳电池，但是严重的界面非辐射复合损失限制了叠层器件性能的进一步提升。为了降低这种损失和制备成本，开发新型高效的空穴传输材料——特别是可同时适用于两个子电池的空穴传输材料至关重要，但是目前尚未有相关报道。

近日，四川大学赵德威团队与福建师范大学王漾团队合作，报道了一种新型给受体p型材料4-(7-（4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)-2,5-二氟苯基)苯并[c][1,2,5]噻二唑-4-基)苯甲酸（以下简称为2F），这种材料可同时作为宽带隙顶电池和窄带隙底电池中的空穴传输层，进而制备高效的全钙钛矿叠层太阳电池，该材料由王漾教授团队合成。在宽带隙子电池中，与传统的空穴传输层PTAA相比，2F不仅可以加速空穴的提取，而且可以通过调控界面能级和钝化钙钛矿埋底界面的缺陷，显著抑制空穴传输层/钙钛矿界面的非辐射复合损失。在窄带隙底电池中，2F代替常用的PEDOT:PSS作为空穴传输层，不仅可以抑制界面非辐射复合损失，而且可以通过改善锡铅钙钛矿的结晶生长过程制备高质量的窄带隙钙钛矿吸收层。最终，由2F作为空穴传输层的宽带隙和窄带隙子电池的最高光电转换效率分别为19.33%(认证效率19.09%)和23.24%，并基于此制备了具有27.22%(认证效率26.3%)光电转换效率的全钙钛矿叠层太阳电池。

相关成果“A donor-acceptor-type hole-selective contact reducing non-radiative recombination losses in both subcells towards efficient all-perovskite tandems”发表于Nature Energy。四川大学为该论文第一完成单位，四川大学赵德威教授、陈聪特聘副研究员和福建师范大学王漾教授为共同通讯作者，四川大学2021级博士研究生朱景伟、2020级硕士研究生罗易为共同第一作者。

具有锚定基团的给受体p型分子已被证明是一类高效的空穴选择性材料。基于前期工作（J. Am. Chem. Soc. 142, 16632-16643 (2020)），研究者合成的2F分子具有以下两个特点：首先，为了进一步降低制备成本并改善取向分布，选用苯甲酸代替2-氰基丙烯酸作为锚定基团。第二，为了精细调控分子的电子结构和薄膜的表面特性，采取了氟化策略。

值得注意的是，2F在ITO表面上的排列取向与SAM材料不同。SAM材料可以通过自组装的形式在ITO表面形成近似单层膜，而2F则易形成多层膜。在ITO上旋涂之后，大部分的2F分子可以通过羧基优先锚定在ITO表面，而未锚定的2F分子可能会堆积形成多层膜，因此部分暴露的羧基可以与钙钛矿相互作用。2F分子的多功能性使其可以作为一种具有普适性且可以应用于不同带隙钙钛矿太阳电池中的空穴传输层。

在1.77 eV WBG PSCs中，与常用的空穴传输层PTAA相比，2F不仅可以通过能级调节加速空穴提取，而且通过钝化界面缺陷显著抑制界面非辐射复合。与PTAA/WBG器件（理想因子1.72和瞬态光电压衰减寿命6.67 μs）相比，2F/WBG器件显示了更小的理想因子1.55和更长的瞬态光电压衰减寿命8.39 μs。另外与钙钛矿薄膜准费米能级分裂值（QFLS，1.396 eV）相比较，PTAA/WBG样品的QFLS值大幅降低，为1.304 eV，而2F/WBG样品的QFLS值略有降低，为1.373 eV，从而进一步验证了2F作为空穴传输层可以显著降低器件中的界面非辐射复合损失。基于此，研究者所制备的2F/WBG PSCs展现出更优的光电性能，其冠军效率为19.38%，认证效率为19.09%。而PTAA/WBG PSCs的冠军效率仅为17.29%。

在1.25 eV LBG PSCs中，2F取代PEDOT:PSS作为空穴传输层，不仅可以减少界面处的非辐射复合损失，还可以通过减缓窄带隙钙钛矿的快速结晶和抑制Sn2+的氧化来提高Sn-Pb钙钛矿薄膜质量。基于此，研究者制备的2F/LBG PSCs的最高效率为23.24%，这也是目前该类器件报道的最高效率之一。

在优化了WBG和LBG子电池后，研究者进一步制备了全钙钛矿叠层太阳电池，其中2F同时作为1.77 eV WBG和1.25 eV LBG子电池中的空穴传输层。优化后的全钙钛矿叠层太阳电池的效率达到27.22%（认证效率为26.3%）, 并展现出更好的光照稳定性。

A donor–acceptor-type hole-selective contact reducing non-radiative recombination losses in both subcells towards efficient all-perovskite tandems

赵德威 教授简介：四川大学，博士生导师，曾入选2019年国家级青年人才、四川省学术和技术带头人、四川省杰出青年科技人才、四川省青年人才引进计划，曾获德国教育科技部“绿色精英奖（Green Talent）”和国家留学基金委“国家优秀自费留学生奖学金”等。在Nature、Nat. Energy（4篇）、Science、Joule等学术期刊发表论文140多篇，总引用14000余次，h因子61。2022年入选科睿唯安“高被引科学家”和爱思唯尔高被引学者。

主持国家重点研发计划课题、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”项目、国家自然科学基金面上项目、四川省科技厅杰出青年科技人才项目等。2022年指导学生团队荣获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。团队关注钙钛矿材料合成生长及其在太阳能电池等光电器件中的应用，立足探索材料的独特特性和器件物理的深层工作机理，开发高效稳定器件。长期深耕窄带隙锡-铅（Sn-Pb）钙钛矿和全钙钛矿叠层太阳电池研究，挖掘钙钛矿光伏大面积组件技术。多次实现宽、窄带隙钙钛矿和全钙钛矿叠层电池性能突破，实现了1-cm2全钙钛矿叠层太阳电池的世界纪录效率，并多次被业界权威的“Solar cell efficiency tables”和太阳电池中国最高效率表收录。

王漾 教授简介：博导，闽江学者特聘教授，福建省高层次人才，深圳市海外高层次人才，福建师范大学“宝琛计划”高端人才。2009年毕业于中国科学技术大学获得学士学位（导师：潘才元教授），2015年毕业于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位（导师：王利祥研究员）。2015-2020年分别于台湾清华大学、南方科技大学从事博士后研究工作，2020-2021年于厦门大学任特聘副研究员。现为福建师范大学教授，福建省海峡实验室研究员，课题组长期从事新型有机共轭分子设计、光电功能材料合成与器件应用等方面的研究。累计发表SCI期刊论文50余篇，其中以第一/通讯作者身份发表在Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Sci. China Chem.等国内外权威期刊20余篇，多篇论文被选为ESI高被引论文或期刊封面论文。主持国家级项目2项，省部级项目1项，申请/获权发明专利8项。

课题组网页：https://www.x-mol.com/groups/steven_wangyang

陈聪 特聘副研究员简介：博士，四川大学特聘副研究员。于2016年获得武汉大学微电子科学与工程学士学位，2021年获得武汉大学微电子学与固体电子学博士学位，2017.8-2020.1于美国托莱多大学担任访问学者，导师为Prof. Yanfa Yan（鄢炎发）。目前研究方向为倒置宽带隙钙钛矿太阳电池与高效稳定的钙钛矿基叠层太阳电池。以第一/通讯作者身份于Nature、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等权威期刊发表多篇论文；参与国家重点研发计划课题，申请/获权发明专利3项。

朱景伟，四川大学材料科学于工程学院2021级博士研究生，主要研究方向为高效锡铅窄带隙及全钙钛矿叠层太阳能电池。

罗易，四川大学材料科学于工程学院2020级硕士研究生，主要研究方向为宽带隙及全钙钛矿叠层太阳能电池。

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