The Innovation | ​薄膜太阳能电池性能突破的新方法

导 读

随着人类社会的工业化发展，过度的能源消耗和环境破坏唤起了人们对发展可再生清洁能源的迫切需求，太阳能等可再生清洁能源的深入开发和持续利用被提升到前所未有的战略高度，其正经历着从补充能源向替代能源转变的历史阶段。发展高性能的光伏电池新材料和技术是实现碳中和、碳达峰目标的必要路径。

提高光伏器件性能的一种有效方法是优化电子选择层（ESL）和空穴选择层（HSL）界面的化学和电学性质。然而，新型HSL材料的探索进展相对缓慢，这严重限制了光伏器件的发展。目前常用的HSL材料选择有限，如聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT: PSS）、聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺]（PTAA）和金属氧化物。PEDOT: PSS因其存在腐蚀性、吸湿性、高成本和寄生吸收等问题而受到诟病；PTAA则存在能量失配和浸润性差等问题；对于金属氧化物来讲，电子陷阱通常会导致界面存在肖特基势垒、电荷复合从而使得器件效率下降。

为解决上述问题，自组装单分子膜（SAM）成为一类有希望构建高性能有机太阳能电池（OSC）和有机-无机混合钙钛矿太阳能电池（PSC）的HSL。如图1A所示，SAM是一类由小分子组装的超薄薄膜，通常由锚定基团、功能基团和空间链三部分结构组成。在太阳能电池应用中，锚定基团和基底之间会形成强的共价键，可以同时实现超薄厚度的HSL以及电极缺陷钝化效果；功能基团主要决定了SAM的物理化学性质，通过合理设计及修饰功能基团可以灵活地调节材料的功函数、钝化材料界面；空间链提供应力、热势能等缓冲层作用，相关扰动引起的分子运动可在不损害器件性能的情况下通过空间链结构自然释放。SAM的三部分结构协同作用，共同参与电极/有源层界面的化学物性和功能属性调节，从而获得更好的器件性能。

图1 薄膜太阳能电池器件结构与应用。（A）薄膜太阳能电池结构。插图为自组装单分子膜的分子结构和各部分功能。（B）主流HSL材料的能量转化效率和成本统计图。

通常，可以通过调节材料功函数、浸润性和表面相互作用来优化SAM层性能。高性能太阳能电池的多层材料界面需要合适的能量匹配条件，SAM作为HSL有助于为电荷提取创建理想的能级匹配的条件，减少电荷传输能量损失，保障载流子通过跃迁的方式从活性层传输到电极层，从而提高器件的能量转化效率。最近发现可通过优化咔唑和正丁烷两种SAM分子的比例调节电极功函数，提升材料界面的能量匹配度，从而实现太阳能电池的性能突破。

在PSC应用中，控制成核和结晶是获得高质量活性层的关键。通过将取代基修饰到SAM功能基团上，可有效调节与钙钛矿前驱体的相互作用解决界面润湿问题，同时钝化了活性层/SAM界面处的缺陷抑制界面复合，从而促进了SAM在PSC中的发展和应用。利用这些优势，用SAM制造的单片钙钛矿/硅串联太阳能电池展现出29.15%的超高能量转换效率。

SAM应用在OSC中的器件性能显著低于其在PSC中的性能，这是因为OSC中载流子浓度偏低，可与之匹配的SAM十分有限。最近相关工作报道了SAM载流子传输势垒可通过分子链长来调节，通过对不同链长的咔唑SAM进行系列对比研究，发现具有C3链的咔唑SAM的太阳能电池实现了17.4%的能量转换效率（图1B）。

总结与展望

自组装单分子膜（SAM）由于其灵活的结构设计和良好的加工性能，满足了大部分薄膜太阳能电池的HSL功能需求，这为低成本、高效率的薄膜太阳能电池的研究开启了新时代。一方面，基于咔唑的SAM材料已经在商业化电池类产品中得到了初步验证，证明了SAM材料在可穿戴器件、医疗电子产品领域具有广阔的应用前景；另一方面，SAM的独特的结构和良好的可兼容性也加速了其在交叉学科领域的技术革新，如基于SAM的场效应晶体管和超灵敏传感器等。

责任编辑

刘 聪    复旦大学

韩 波    成都中医药大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00165-5

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Commentary发表的“Self-assembled monolayers as emerging hole-selective layers enable high-performance thin-film solar cells” (投稿: 2022-11-16；接收: 2022-12-27；在线刊出: 2022-12-28)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100369

引用格式：Li M., Xie Y., Lin F., et al. (2022). Self-assembled monolayers as emerging hole-selective layers enable high-performance thin-film solar cells. The Innovation. 4(1),100369.

作者简介

任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授，欧洲科学院外籍院士和华盛顿州立科学院院士。香港城市大学李兆基讲座教授（材料科学）、香港清洁能源研究院院长、化学系讲座教授及材料科学系讲座教授。发表SCI论文1000余篇，是63项专利及发明的共同发明人。专注于跨学科研究，范围涵盖光子学、能源、感应器及纳米医学等领域的功能材料和器件。2014-2022年连续被评为汤姆森路透“高被引用科学家”，也在2015及2016年获评为“全球最具影响力的科学头脑”。在钙钛矿光伏领域取得了一系列杰出成果，并因其巨大贡献被国际权威机构《泰晤士高等教育》评为钙钛矿太阳能电池领域世界领先的十位科学家之一。

Web: https://www.jengroup.info/

李梓维，湖南大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，担任系主任、党支部书记。主要研究方向为低维材料、新型光电器件，主持国家自然科学基金重大研究计划、面上项目、青年基金，骨干参与“纳米前沿”国家重点研发计划子课题。科学研究方面，发展了普适性的低维材料及异质结制备技术，利用稳态、瞬态光谱探测技术，表征低维异质结材料的物理、化学性质，研究材料内部的载流子转移、激子动力学、表面等离激元共振等现象。近年来，以第一或通讯作者在Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等期刊发表论文40余篇。相关工作被ACS Nano: 'In Nano'特刊、Wiley Materials Views China、Design for Science等国内外科学网等新闻媒体多次报道，荣获教育部高等学校科学研究二等奖。申请中国发明专利12项，授权6项。

Web: http://grjl.hnu.edu.cn/p/6E32A1F5289F1BDFE80FDFF1A4A7454C

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