Science神仙打架，同日两篇，记录互爆！

通常而言，高效的钙钛矿太阳能电池通常是基于n-i-p和p-i-n两种器件结构，但目前报告的最高光电转换效率是基于n-i-p结构的PSCs。但事实上，倒置p-i-n结构其制备工艺更加简单，能够用于叠层器件的制备等优点，具有更好的工业化应用潜力。然而p-i-n结构器件目前PCE还相对较低。

在此，美国托莱多大学鄢炎发教授和中国科学技术大学徐集贤教授分别从不同的方面阐述了提高p-i-n结构的PCE，且同时创造了最高记录。

一、美国托莱多大学鄢炎发教授Science

已知在界面和晶界（GBs）处结合不配位铅原子的路易斯碱基分子，可增强金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）的耐久性。

基于密度泛函理论计算，美国托莱多大学鄢炎发教授发现在路易斯碱基分子库中，含膦分子具有最强的结合能。

通过实验，发现用1,3-双(二苯基膦)丙烷（DPPP）处理的倒置PSC具有最佳性能，DPPP是一种二膦路易斯碱，可钝化，结合和桥接界面和GBs，在模拟AM1.5照明下连续运行后，且在最大功率点和~40℃下连续运行超过3500小时后，保持的功率转换效率（PCE）略高于其23%的初始PCE。

同时，DPPP处理的器件在85℃开路条件下保持超过1500小时后，PCE也显示出类似的增加。值得注意的是，DPPP处理后的倒置（p-i-n）电池显示出24.5%的最佳PCE。

相关论文以“Rational design of Lewis base molecules for stable and efficient inverted perovskite solar cells”为题发表在Science。

鉴于其高功率转换效率（PCEs），金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）提供了一种降低太阳能电力成本的途径。

然而，耐久性仍然是通往技术相关性道路上的主要障碍。在85°C的黑暗中，85%相对湿度（RH）的湿热测试是晶体硅（Si）和薄膜光伏（PV）的测试标准，已被用于加速PSC的耐久性测试。

PSCs在光激发条件下下也可能表现出降解，特别是在开路（OC）条件下，这比标准化硅测试中所看到的更严重。从机制上讲，这些发现通常归因于离子迁移和界面处的电荷积累。

在此，本文研究了在模拟1个太阳照明（定义为AM1.5或1 kW m^-2），OC条件和85°C的工作稳定性，这也是迄今为止仅对钙钛矿太阳能电池进行程度研究的重要测试条件。

结果表明，PSCs中的光和热诱导降解与在界面和晶界（GBs）处形成的点缺陷有关。使用封装可以减少水分诱导的降解，而钙钛矿薄膜内界面和GB处的缺陷需要钝化以提高PSC的PCE和固有耐久性。使用含磷（P）、氮（N）、硫（S）和氧（O）的路易斯碱基分子形成配位共价键，将电子给予界面和GB处的欠配位铅原子，这在提高PSC耐久性方面显示出特别的希望 。

使用密度泛函理论（DFT），表明含P的路易斯碱基分子与不配位的Pb原子显示出最强的结合。因此，作者研究了含膦的分子，推断这些分子将在界面和GB上提供额外的结合和桥接，发现，用少量1,3-双(二苯基膦)丙烷（DPPP）处理钙钛矿可以提高PCE和耐久性：DPPP处理后的倒置（p-i-n）电池显示出24.5%的最佳PCE。在~40°C连续模拟AM1.5照明下，初始PCE为~23%的PSC在最大功率点跟踪（MPPT）后稳定在~23.5%。更加重要的是，DPPP稳定的钙钛矿太阳能电池在OC和85°C条件下保持超过1500小时后，没有发生PCE下降。

图1. DFT计算的DPPP与钙钛矿的结合

图2. DPPP对钙钛矿薄膜质量和器件性能的影响

图3. DPPP处理前后钙钛矿膜稳定性的表征

图4. DPPP处理装置的性能和稳定性

Chongwen Li, Xiaoming Wang, Enbing Bi, Fangyuan Jiang, So Min Park, You Li, Lei Chen, Zaiwei Wang, Lewei Zeng, Hao Chen, Yanjiang Liu, Corey R. Grice, Abasi Abudulimu, Jaehoon Chung, Yeming Xian, Tao Zhu, Huagui Lai, Bin Chen, Randy J. Ellingson, Fan Fu, David S. Ginger, Zhaoning Song, Edward H. Sargent, Yanfa Yan*, Rational design of Lewis base molecules for stable and efficient inverted perovskite solar cells, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3970

二、中国科学技术大学徐集贤教授Science

通常情况下，为了在钙钛矿太阳能电池中保持高的电荷载流子导电性，钝化层需要非常薄（~1 nm）以实现电子隧穿。然而，这种方法限制了效率，使其在开路电压（V_oc） 和填充因子（FF）之间进行权衡，并且在大面积的溶液中制造薄膜时遇到了挑战。

在此，中国科学技术大学徐集贤教授等研究者通过引入具有随机纳米级开口的厚（~100 nm）绝缘体层来克服这一挑战，对具有这种多孔绝缘体接触（PIC）的电池进行了漂移-扩散模拟，并通过控制氧化铝纳米板的生长模式来实现了这一过程。

结果表明，将p-i-n器件的功率转换效率（PCE）从~23%提高到25.5%（认证稳态PCE为24.7%，有效面积0.06 cm²），这是p-i-n电池有史以来报告的最高值。

相关论文以“Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact”为题发表在Science。

先进的器件架构和接触设计，以及吸收器质量的提高，推动了钙钛矿太阳能电池的兴起。

其中，钙钛矿沉积在电子传输层（ETL）上的传统n-i-p器件的功率转换效率（PCE）高达25.7%。p-i-n电池[建立在空穴传输层（HTL）上的倒置架构]最近也达到了~24%的认证PCE。

尽管p-i-n电池的PCE落后于n-i-p电池，但它们重视程度仍然高居不下，特别是因为它们在最先进的串联电池中表现出更高的稳定性和更高的效率。

通常情况下，钙钛矿电池的开路电压（V_ocs）相对于Shockley-Queisser（S-Q）极限达到>90%，超过了记录硅电池的水平（~85%）。这种高水平的V_oc反映了通过插入超薄低电导率钝化层，能够减少光载流子传输界面上的非辐射。

其中，低维钙钛矿和低导电性有机材料是当前提高电池性能的主要钝化材料。据报道，由于串联电阻损耗，介电层厚度的亚纳米增加可导致巨大的填充因子（FF）降低，这种权衡问题对于二维（2D）钙钛矿和绝缘有机钝化层也是通用的，这种钝化-传输权衡使得V_oc和FF同时最大化成为一个挑战。

在这里，本文提出了一种接触结构，其中传统的超薄（~1nm）钝化层被具有随机纳米级开口的厚（~100nm）介电掩模所取代（图1A）。光载流子提取不会受到影响，其通过开口而不是通过电隧穿穿过厚介电掩模。这种触点设计称为“多孔绝缘体触点”（PIC）。

同时，本文使用低成本和可扩展的解决方案工艺实现了这种设计，该工艺对介电厚度和开口尺寸的变化表现出很高的耐受性。数值模拟和器件实验表明，PIC通过接触面积减小和钝化的协同效应减少了钙钛矿HTL接触处的非辐射复合。

此外，由于PIC团簇具有亲水性和粗糙性，并且优选的HTL材料具有疏水性，因此表面润湿和钙钛矿薄膜质量得到改善。

图1. p-i-n器件PIC的概念和仿真

图2. 通过Al₂O₃纳米板溶液工艺实现PIC接触设计

实验结果表明，HTL接触处的表面复合速度（SRV）从64.2 cm/s降低到9.2 cm/s。由于钙钛矿结晶度的提高，复合寿命从1.2 μs增加到6.0 μs。同时，使用可以将接触面积减少~25%的PIC，将p-i-n器件的PCE从~23%提高到25.5%（认证稳态PCE为24.7%，有效面积0.06 cm²），这是p-i-n电池有史以来报告的最高值。其V_oc×FF的乘积为Shockley-Queisser极限的87.9%，可与创纪录的n-i-p器件相媲美。

图3. PIC对减少非辐射复合的影响

最重要的是，钙钛矿前驱体溶液的润湿性得到改善，从而证明了一个效率为23.3%的1平方厘米p-i-n电池，在所有具有大于1平方厘米有效面积的钙钛矿电池中名列前茅，且证明了它对不同HTL和钙钛矿成分（带隙为1.55、1.57和1.65 eV）的广泛适用性。

图4. PIC增强p-i-n器件的PV特性

Wei Peng†, Kaitian Mao†, Fengchun Cai, Hongguang Meng, Zhengjie Zhu, Tieqiang Li, Shaojie Yuan, Zijian Xu, Xingyu Feng, Jiahang Xu, Michael D. McGehee, Jixian Xu*, Reducing nonradiative recombination in perovskite solar cells with a porous insulator contact, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3126