博士生一作发 Science！香港城大打破纪录：传统材料再次闪耀，二茂铁衍生物助力反式钙钛矿太阳能电池突破 25%！
第一作者：李稹，李博，吴鑫
通讯作者：朱宗龙，Nicholas J. Long
通讯单位：香港城市大学，伦敦帝国理工学院
研究亮点：
钙钛矿活性层与电荷传输层界面间的缺陷和非理想电荷传输是制约反式钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的关键因素之一，因此有效的界面层材料选择尤为重要。二茂铁有机金属衍生物同时具备了有机材料和无机材料的优异特性，作为功能化界面层可以有效降低反式钙钛矿太阳能电池界面中的非辐射复合，同时加快电荷传输速度，最终实现了反式器件的效率记录 ( 25% ) 和优异的稳定性，为设计稳定高效的钙钛矿太阳能电池界面材料提供了新思路。
成果简介：
近日，香港城市大学的朱宗龙博士团队联合英国伦敦帝国理工学院 Nicholas J. Long 教授团队，利用传统材料二茂铁结合功能化的有机官能团设计出一种二茂铁有机金属衍生物 ( ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate ( FcTc2 ) ) 。传统二茂铁材料具有的富电子可离域的特性能极大的提高了界面间的载流子迁移率，同时有机官能团有效地与钙钛矿表面上未配位的铅离子结合形成 Pb-O 键，降低了缺陷态密度。通过 FcTc2 界面修饰后的器件，其开路电压 ( VOC ) 以及填充因子 ( FF ) 得到了较大的提升，实验室测试效率达到了反式钙钛矿太阳能电池记录效率 25%（认证效率为 24.3%）。FcTc2 界面修饰后的器件展现了优异的稳定性，在长期光照 1500 小时后仍维持在初始效率的 98%，在湿热环境下 ( 85 ℃ /85% RH ) 的稳定性测试通过了 IEC61215:2016 的国际标准。该发现为钙钛矿太阳能电池界面材料设计提供了新的选择。该工作发表在 4 月 22 日的 Science 上，题为："Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells"。该论文第一作者为香港城市大学博士生李稹，博士后研究员李博，博士生吴鑫。
图 1. FcTc2 功能化后的钙钛矿薄膜表征。
研究人员采用二茂铁金属有机衍生物 ( FcTc2 ) 修饰钙钛矿 /C60 界面，不影响钙钛矿的结晶及其光学特性。X 射线光电子能谱 ( XPS ) 数据和密度泛函理论 ( DFT ) 模拟计算结果表明，FcTc2 与钙钛矿表面有较强的相互作用，FcTc2 中的 O 原子与钙钛矿表面上未配位的铅离子形成牢固的 Pb-O 键，并显著增强钙钛矿和 FcTc2 之间的静电吸引力，有利于钙钛矿表面的缺陷钝化和提高钙钛矿结构的稳定性。
图 2. 钙钛矿薄膜表征。
研究者发现，经过 FcTc2 修饰的钙钛矿表面具有更均匀的表面接触电位分布，从而更有利于电荷传输以及降低非辐射复合。同时，由于 FcTc2 与钙钛矿表面有较强的结合力，可以有效的抑制钙钛矿成分的离子迁移和挥发，为实现高效稳定的反式钙钛矿太阳能电池奠定基础。
图 3. 器件性能表征。
图 4. 钙钛矿器件稳定测试。
通过采用 FcTc2 作为钙钛矿活性层与电子传输层界面的修饰材料，反式器件的最高功率转换效率达到了记录值 25% ( 认证效率 24.3% ) ，其中 VOC: 1.184V ( 1.179V ) ，JSC: 25.68 mA cm-2 ( 25.59 mA cm-2 ) , FF: 82.32% ( 80.56% ) ，平均 PCE 达到 24.5% 且具有良好的可重复性。同时钙钛矿器件的稳定性也得到了极大程度的提升，封装后的 FcTc2 基钙钛矿器件在连续光照条件下 1500 小时后仍能保持原始效率的 98%。此外，在双 85 ( 85 ℃ /85% RH ) 条件下，FcTc2 基钙钛矿器件在 1000 小时后仍能保持原始效率的 95%，符合 IEC61215:2016 的湿热环境稳定性的标准。此外，FcTc2 基钙钛矿器件在 200 次冷热冲击 ( -40 ℃ -85 ℃ ) 循环后仍能保持初始效率的 85%。
参考文献
Zhen Li et al. Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells. Science 2022, 376, 416-420.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8566
