南京大学谭海仁课题组：交联有机小分子空穴传输层用于高效率钙钛矿叠层太阳电池

南京大学谭海仁教授课题组将可交联有机小分子N₄,N₄′-二(萘-1-基)-N₄,N₄′-双(4-乙烯基苯基)联苯-4,4′-二胺（VNPB）用做宽带隙钙钛矿太阳电池的空穴传输层，分别在钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/硅叠层太阳电池中实现24.9%和25.4%的转换效率。

近年来，单结钙钛矿太阳电池的功率转换效率（PCE）实现从3.8%到25.5%的跨越式提升，取得了令人瞩目的进展。但是，快速提升的效率已经日渐接近其实用化效率的极限。通过将宽带隙的顶电池和窄带隙的底电池结合起来构筑叠层器件，是进一步提升太阳电池效率的最有效途径。叠层电池主要通过对太阳光谱的不同部分进行分别利用来减少载流子热化损失，从而实现理论极限效率的提升。钙钛矿由于其灵活可调的带隙、高的吸收系数和低的加工成本，成为构筑叠层器件的最佳选择之一。然而，钙钛矿基叠层器件的效率提升很大程度上受到宽带隙顶电池开路电压损失较大的限制，其中空穴传输层造成的界面复合是导致开路电压损失的关键因素之一。

最近，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组将可交联的有机小分子VNPB用做宽带隙钙钛矿太阳电池的空穴传输层，成功实现在带隙为1.6 eV、1.7 eV和1.8 eV的宽带隙电池中获得近50 mV的开路电压提升。相比于作为对照的PTAA样品，沉积在VNPB上的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸和良好的结晶性。VNPB具有更强的电荷抽取能力，同时降低了钙钛矿薄膜与空穴传输层界面的缺陷密度(见下图)。密度泛函理论（DFT）计算表明，VNPB与钙钛矿的紧密接触增大了缺陷形成能，降低了缺陷态密度，从而有效地减少了载流子在界面处的非辐射复合，同时更有利于空穴的抽取，进而实现光伏性能的提升。最后，使用VNPB作为空穴传输层构筑的钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/硅叠层太阳电池的效率分别高达24.9%和25.4%。这项工作为钙钛矿叠层器件中的空穴传输层提供了新的思路。

南京大学2019级直博生王玉瑞、顾帅博士、刘国亮博士与上海微系统与信息技术研究所张丽平副研究员为该研究工作的共同第一作者，上海微系统与信息技术研究所刘正新研究员和南京大学谭海仁教授为本文的通讯作者，南京大学朱嘉教授和徐骏教授对本工作给予了重要支持。本文将收录在"2021 Emerging Investigator Issue"中。

详见：Wang Y, Gu S, Liu G, Zhang L, Liu Z, Lin R, XiaoK, Luo X, Shi J, Du J, Meng F, Li L, Liu Z, Tan H. Cross-linked hole transport layers for high efficiency perovskite tandem solar cells. Sci China Chem, 2021, 64, https://doi.org/10.1007/s11426-021-1059-1

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通讯作者简介

谭海仁  南京大学现代工程与应用科学学院教授，入选中组部“海外高层次人才引进计划”、江苏省“双创人才”、国家重点研发计划课题负责人。2008、2011和2015年先后从中南大学、中科院半导体研究所、荷兰代尔夫特理工大学获得本科、硕士和博士学位；2015-2018年加拿大多伦多大学博士后。长期从事新型太阳能电池的研究工作，包括钙钛矿太阳能电池、硅基太阳能电池及新型高效低成本叠层太阳能电池，实现了全钙钛矿叠层太阳能电池、平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池光电转换效率的世界记录，钙钛矿叠层太阳电池的纪录效率多次被Solar cell efficiency tables收录。在Science, Nature Energy, Nature Comm., Adv. Mater.等学术期刊发表论文80余篇（其中第一/通讯作者在Science正刊和Nature子刊发表论文5篇），引用8000 余次。担任Commun. Mater.、J. Semicond.等期刊编委；Sci. China Mater.期刊青年编委；Nanophotonics、Appl. Phys. Lett.等期刊客座编辑；美国光学学会“先进光子学会议”分会主席。

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