华东理工大学，2023年首篇Science！

研究表明，控制钙钛矿-衬底界面中钙钛矿的形貌和缺陷对于倒置钙钛矿太阳能电池来说具有挑战性。

在此，华东理工大学吴永真教授，朱为宏教授，德国波茨坦大学Martin Stolterfoht教授，吉林大学张立军教授，华中科技大学陈炜教授报道了一种两亲分子空穴转运蛋白（2-(4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯基)-1-氰基乙烯基）膦酸，其特征是多功能氰基乙烯基膦酸基团并形成用于钙钛矿沉积的超润湿衬底，这使得高质量的钙钛矿薄膜在界面处具有最小的缺陷。

实验结果显示，所得钙钛矿薄膜的光致发光量子产率为17%，Shockley-Read-Hall寿命接近7微秒，并在1.21V的开路电压和84.7%的填充因子下实现了25.4%的认证功率转换效率（PCE）。

此外，1平方厘米和10平方厘米微型模块的PCE分别为23.4%和22.0%。更加重要的是，封装模块在操作和湿热测试条件下均表现出高稳定性。

相关文章以“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells”为题发表在Science上。

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSC）已达到高于25%的功率转换效率（PCE），接近最先进的晶体硅太阳能电池的PCE，但进一步提高PSC的性能和稳定性将需要对钙钛矿吸收层和电荷传输层之间的界面进行定制。

对钙钛矿薄膜顶表面及其与电荷传输层界面的深入研究有助于常规（n-i-p）和倒置（p-i-n）结构的PSC的PCE的提升，但钙钛矿-衬底界面处形貌和缺陷调控更具挑战性，特别是在倒置结构PSC的情况下，已经通过简化和低温制造程序和改进的器件稳定性得到了证明。

在倒置的PSC中，钙钛矿吸收层沉积在空穴传输层（HTL）上，其对钙钛矿成核和异质结形成至关重要。

通常来说，溶液处理金属卤化物钙钛矿的常用溶剂是两亲性小分子，如N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO），但很多常用的HTL，如聚三芳胺（PTAA），或倒置PSC的自组装单层（SAM），但这相对于钙钛矿前驱体溶液过于疏水，或者在与钙钛矿接触时化学不稳定。

这两个因素都会在钙钛矿-衬底界面产生形貌、成分或电子缺陷，从而限制光伏性能和稳定性。在大多数情况下，HTL会降低钙钛矿吸收层的辐射效率并增加整体非辐射复合损耗。

因此，倒钙钛矿太阳能电池中使用的许多空穴传输材料要么疏水性太强，无法润湿钙钛矿前驱体，要么会与钙钛矿反应，这导致这些层之间的界面产生性能限制缺陷。

图文详解

基于“物以类聚”的原理，并考虑钙钛矿前驱体溶液的两亲性性质，本文证明了两亲分子空穴转运蛋白[（2-(4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯基)-1-氰基乙烯基）膦酸，或MPA-CPA]与多功能氰基乙烯基膦酸基团通过增强钙钛矿沉积和钝化最小化界面缺陷。

在这种两亲性底层上沉积带隙为1.56 eV的混合阳离子和混合卤化物钙钛矿实现了7 μs的Shockley-Read-Hall寿命、17%的光致发光量子产率（PLQY）和前所未有的1.24 eV高准费米能级分裂（QFLS）。

在HTL上没有任何修饰层的情况下，得到的倒置PSC在0.08厘米的掩模面积上实现了25.4%的认证PCE。同时提高开路电压和填充因子，使用这种改进的钙钛矿沉积技术来制造大面积器件和模块，其PCE分别为23.4%（1 cm²）和22.0%（10 cm²）。

图1. 具有超润湿特性的两亲性分子空穴转运体有助于沉积高质量的钙钛矿薄膜

MPA-CPA的化学结构如图1A所示，该两亲性分子具有亲水性CPA锚定基团和疏水性甲氧基取代的三苯胺（MPA）空穴提取基团。与PTAA只能溶解在甲苯和氯苯等低极性溶剂中不同，MPA-CPA可以溶解在高极性和低极性溶剂中。

同时，还测试了SAM在不同溶剂中的溶解度，发现其两亲性低于MPA-CPA。这种差异可能是由于设计的CPA基团具有增强的亲水性，该基团是由与膦酸相邻的极性和吸电子氰基引起。

在将MPA-CPA溶液旋涂到玻璃-氧化铟锡（ITO）衬底上后，将形成双层堆叠（图1B），由化学锚定的SAM和未吸附的无序覆盖层组成。由两亲性MPA-CPA（未吸附）组成的覆盖层相对于钙钛矿前驱体溶液表现出超润湿特性，并且具有小接触角（~5°），有利于钙钛矿沉积，特别是对于大面积衬底。

相比之下，钙钛矿溶液在PTAA和2PACz HTL上的接触角分别为33.5°和17.9°（图1，C-E）。覆盖层的存在对于超润湿性能至关重要，旋涂液中MPA-CPA浓度增加后，接触角减小，但用DMF和DMSO的混合溶剂洗涤覆盖层后，钙钛矿溶液的扩散受到抑制，这表明双层的形成。

图2. 界面的形貌表征

图3. MPA-CPA中氰基对典型钙钛矿表面缺陷的钝化效应的第一性原理模拟

光伏性能

为了研究不同HTL的光伏性能，作者制备了不同面积的倒置PSCs（0.1 cm²和1 cm²），均显示出优异的性能。值得注意的是，根据国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）协议，在加速老化条件下评估了基于不同HTL的太阳能组件的稳定性。

在连续空气质量下1.5 G 100 mW cm^-2在45°C（ISOS-L-1，仅光）下，在30至40%相对湿度（RH）下在环境空气中的照明，所有模块的PCE在连续运行500小时内几乎保持不变（图4G），基于MPA-CPA的模块在2000小时后保留了其初始PCE的90%。

除了操作稳定性外，作者还按照IEC61215：2016标准进行了湿热稳定性测试。基于MPA-CPA 的模块在湿热测试（85°C和85% RH）下500小时运行后保持高于95%的初始性能。

图4. PSC的光伏性能

总之，本文解决了如何通过开发两亲分子空穴转运蛋白来控制倒置PSC界面缺陷的长期问题。MPA-CPA分子不仅在ITO衬底上形成了高效的空穴选择性SAM，而且通过提供超润湿底层增强了钙钛矿沉积。

所设计的CPA基团表现出更好的亲水性和缺陷钝化能力，这是氰基和膦基与铅离子的协同配位的效果，其界面缺陷的减少可实现倒置PSC和模块的高效、稳定和可扩展性。

同时，两亲底层设计策略对于其他基于钙钛矿的光电器件具有普遍用途。未来的研究将集中在管理钙钛矿-ETL界面处的非辐射复合和能量排列，以进一步提升MPA-CPA/钙钛矿的效率。

文献信息

吴永真，博士，华东理工大学-化学与分子工程学院教授，博士生导师。研究方向：有机/杂化材料的分子设计、合成及光电功能研究。

主要包括：1）钙钛矿太阳能电池；2）染料敏化太阳能电池；3）光催化分解水制氢。以太阳能的高效转换和利用为目标，重点关注光-电-化学转换过程的电荷转移与能量传递，新材料的设计开发与相关器件的优化，特别注重新型低成本太阳能电池技术的稳定性强化与光电转换效率提升。

已发表SCI论文80余篇，其中以第一或通讯作者发表论文期刊包括Nature Energy、Science、Angew Chem Int Ed, Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Energy Mater等，20篇论文曾入选ESI高被引论文，9篇论文曾入选ESI热点论文，论文SCI他引11000余次，单篇最高他引1800余次。

来源：https://www.x-mol.com/groups/wu_yongzhen

朱为宏，现任华东理工大学副校长、精细化工研究所所长。国家杰出青年基金获得者（2013年），科技部重点研发项目首席科学家，曾入选教育部长江学者特聘教授（2015年）、中组部万人计划科技创新领军人才（2016年）、国务院特殊津贴（2018年）、上海市科技精英（2022年）、教育部新世纪优秀人才（2007年）、上海市学术带头人（2015年）。

1992年7月毕业于南京师范大学化学系，1995年7月在南开大学化学系获有机化学硕士学位，1999年7月在华东理工大学获应用化学博士学位，2001年10月至2003年4月，日本筑波国立产业技术综合研究院（AIST）纳米研究所博士后研究，2004年7月至2005年3月，日本筑波大学先进学际研究中心（TARA Center）外国人研究员（高级访问学者）。

目前主要从事化学产品工程研究，涉及光敏化学品功能化及产品化。迄今已在Nature、Nature Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Adv. Mater.、Matter、Nature Commum.、Energy Environ. Sci.、National Science Review、Sci. China. Chem.、CCS Chem.、AIChE J.、IECR 等期刊上发表 SCI论文330余篇，共被SCI引用近2.2万余次， H指数为78，科睿唯安化学领域“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。

申请中国发明专利36项，其中28项已授权，曾获国家自然科学奖二等奖两项（2019年，第一完成人；2007年，第三完成人）、上海市自然科学奖一等奖两项（2017年，第一完成人；2006年，第三完成人）、上海市科技进步奖一等奖（2020年，第一完成人）、上海市牡丹奖等。

来源：https://whzhu.ecust.edu.cn/

张立军，男，博士，吉林大学材料科学与工程学院教授，吉林大学“唐敖庆学者”卓越教授，博士生导师。主要从事半导体材料物理、半导体光电材料、材料计算模拟、新材料设计方面的科学研究工作 。

现任吉林大学材料科学与工程学院院长。从事半导体材料物理、半导体光电材料、材料计算模拟、新材料设计方面的研究工作 。近年来聚焦半导体光电材料，应用自主研发的材料设计方法与软件JAMIP(Jilin Artificial-intelligence aided Materials-design Integrated Package)，开展新材料设计与物性调控研究 。

具体研究方向：半导体材料物理，光电半导体材料(太阳能电池材料、发光显示材料、光电探测材料、光催化材料等) ，复杂材料体系的材料模拟方法及材料设计方法的发展与应用。

来源：

http://dmse.jlu.edu.cn/info/1182/3995.htm

陈炜，华中科技大学教授，长期从事新型太阳能电池材料和器件应用方面的研究工作，近年来在钙钛矿太阳能电池方面取得了突出研究成果。

2015年获得国际上首个大面积（1cm2）钙钛矿太阳能电池认证效率记录，写进Martin Green编纂的权威效率记录表。近期进一步获得国际多个大面积（>20cm2）钙钛矿太阳能模组认证高效率。基于多元氧化物固溶体和掺杂技术，率先引入“兼顾效率和稳定性的界面工程”，发展“Sr-Pb复合钙钛矿材料”、“新型无机半导体界面材料”、“钙钛矿/PCBM渐变异质结”、“Bi基惰性金属电极”等新材料、新结构和新概念，有效改善了钙钛矿太阳能电池，尤其是具有实用性的大面积器件的效率和稳定性。对于推动新一代光伏技术——钙钛矿太阳能电池克服产业化瓶颈，具有重要的学术意义和应用价值。

近年先后主持自然科学基金4项、国家重点研发计划青年项目（子课题负责1项）、与企业合作研发横向课题2项，参与国家重点基础研究发展计划（973计划）1项等科研项目。

迄今共发表SCI收录论文70余篇，其中第一作者或通讯作者（含共同）共计47篇（包括Science 1篇，Science Advances 2篇，Nature Energy 1篇，Nauture Commun 1篇，Energy & Environmental Science 1篇，Adv Mater 2篇， Adv Energy Mater 2篇， Adv Funct Mater 1篇）。

截至目前，论文共被引用7000余次，2篇论文入选ESI热点论文，9篇论文入选ESI高被引论文，H因子为44。申请中国发明专利23项，已获授权13项，申请PCT国际专利2项。

来源：

http://faculty.hust.edu.cn/chenwei12/zh_CN/more/1328153/jsjjgd/index.htm

文献信息

Shuo Zhang†, Fangyuan Ye†, Xiaoyu Wang†, Rui Chen†, Huidong Zhang, Liqing Zhan,

Xianyuan Jiang, Yawen Li, Xiaoyu Ji, Shuaijun Liu, Miaojie Yu, Furong Yu, Yilin Zhang,

Ruihan Wu, Zonghao Liu, Zhijun Ning, Dieter Neher, Liyuan Han, Yuze Lin, He Tian, Wei Chen*, Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells, Science, 2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3755

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