这个领域，上海交大/华中科大同日连发两篇Science！

一、上海交通大学science：倒置钙钛矿太阳能电池孔穴传输分子的自组装设计

利用自组装单层太阳能电池（SAM）空穴传输层，提高了倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCEs）。PSCs电池的长期稳定性要求在运行过程中保持钙钛矿层下的SAM紧凑。

在此，上海交通大学韩礼元教授和韩奇峰副教授等人发现如果钙钛矿前驱体中的强极性溶剂通过氢键而不是共价键的羟基固定在底物上，则强极性溶剂会使SAM解吸。作者使用原子层沉积创建了一个具有完全共价羟基覆盖表面的SAM锚定，以及一个具有三甲氧基硅烷基团的SAM，显示出强的三齿酸锚定到底物上。所得到的钙钛矿太阳能电池分别达到24.8（认证24.6）和23.2%的PCEs，孔径面积分别为0.08和1.01平方厘米。在1000小时的湿热测试和在85°C下1200小时的最大功率点跟踪运行后，这些设备分别保留了98.9和98.2%的初始PCE。

相关文章以“Reinforcing self-assembly of hole transport molecules for stable inverted perovskite solar cells”为题发表在Science上。

提高倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCEs）的另一种方法是使用自组装单层膜（SAMs），例如使用空穴传输材料（HTMs）。与常用的HTMs相比，薄HTM层降低了传输层的电阻，从而降低了钙钛矿太阳能电池的电阻，有序分子通过产生界面偶极矩来诱导空穴提取，以及分子减少了与钙钛矿吸收层的界面复合。据报道，在高效倒置单结 PSC、全钙钛矿叠层太阳能电池 和钙钛矿-硅叠层太阳能电池中使用SAMs作为HTM。

然而，高效PSC的商业化也应满足长期运行稳定性的要求。尽管研究表明SAM本身具有良好的照明和热稳定性，但与使用其他光热稳定HTM的PSC相比，基于SAM的PSC并未显示出一致的稳定性。应用于PSC的SAM需要锚定到透明导电金属氧化物（TCO）上吸收的表面羟基（OH） 基团以实现自组装。因此，OH基团在基体上的稳定吸附对自组装稳定性至关重要。TCO表面上存在的OH基团可以通过化学吸附牢固键合，也可以通过物理吸收弱键合，但后者在溶剂存在下可能不稳定。

研究发现，与TCO弱结合的亲水性OH基团，以及锚定在这些不稳定位点的SAM，可以被强极性钙钛矿溶剂解吸。尽管在钙钛矿结晶过程中，未锚定的分子仍会随机地在底部重新沉积以阻断电子，但随着未锚定分子逐渐从表面解吸，泄漏电流增加，从而降低了PSC操作过程中的PCE。作者开发了一种具有完全共价OH覆盖表面的金属氧化物底物，用于制造PSC，以加强SAM的锚定位点以解决这些问题。此外，合成了一种具有三甲氧基硅烷基团的分子，（3,6-二甲氧基-9，H-咔唑-9-基）三甲氧基苯基硅烷（DC-TMPS），该分子通过三齿锚与化学吸附的OH表面具有高结合能，而不是更常用的具有膦酸基团的SAM具有双齿锚。由DC-TMPS锚定的全共价OH覆盖衬底确保了长期运行的稳定界面空穴提取，并且与钙钛矿吸收层具有出色的能量对齐。单结倒置PSC在孔径面积0.08和1.01 cm² 下的PCE分别为24.8%（认证为24.6%）和23.2%。稳定性结果表明，在湿热试验后，目标PSCs保留了98.9%的初始效率。

图1. 锚定SAM在ITO表面的稳定性研究

图2. SAM HTM对PSC的降解机理

图3. ALD ITO的锚定SAM稳定性及器件性能研究

图4. PSCs的长期稳定性研究

Hongcai Tang†, Zhichao Shen†, Yangzi Shen, Ge Yan, Yanbo Wang, Qifeng Han*, Liyuan Han*, Reinforcing self-assembly of hole transport molecules for stable inverted perovskite solar cells, Science. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9602

二、华中科技大学science：高效钙钛矿太阳能电池的电子注入及缺陷钝化

可印刷的介观钙钛矿太阳能电池（p-MPSC）不需要传统p-n结中需要的附加空穴传输层，但也表现出约19%的较低功率转换效率。

在此，华中科技大学韩宏伟教授、梅安意副教授和凌福日副教授等人进行了器件仿真和载流子动力学分析，设计了一种具有半导体二氧化钛、绝缘二氧化锆和钙钛矿渗透的导电碳介孔层的p-MPSC，能够将光激发电子三维注入到二氧化钛中，以收集在透明导体层。空穴向碳背电极进行了长距离扩散，这种载流子分离减少了背接触处的复合。通过磷酸铵改性，减少了二氧化钛/钙钛矿界面处的非辐射复合。由此产生的p-MPSC在55±5°C条件下进行750小时的最大功率点跟踪后，该结果达到了22.2%的功率转换效率，并保持了其初始效率的97%。

相关文章以“Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells”为题发表在Science上。

大多数钙钛矿太阳能电池（PSC）采用层状结构，包括空穴转运体层（HTL）和贵金属电极。可印刷介观PSC（p-MPSC） 是一种不使用HTL或金属电极的替代策略。在p-MPSCs中，钙钛矿被渗透到介孔二氧化钛（mp-TiO₂）/介孔二氧化锆（mp-ZrO₂）/介孔碳（mp-C）的支架中。mp-TiO₂层是电子传递层（ETL），多孔碳既是背电极，也是空穴集电极，mp-ZrO₂层将ETL与背电极隔离。在这种结构中，钙钛矿可以将孔洞输送到后电极上。p-MPSC可以在环境环境中通过丝网印刷制造，这可以实现可扩展的生产。基于三重介孔层的p-MPSCs在成本和稳定性方面显示出令人鼓舞的前景，但仍然具有相对较低的功率转换效率（PCE），为16%至19%，较高的PCE需要选择性收集载体并有效抑制缺陷辅助界面复合。p-MPSC中钙钛矿和碳的直接接触排除了具有不对称电子和空穴电导率的空穴选择性界面的构建，而在其他PSC中，这可以通过与HTL的调制能级对齐来实现。非选择性界面可以促进复合，因为电子和空穴都可以注入背电极。

在此，作者证明了p-MPSCs中的ETL通过在体界面处的三维（3D）注入从介孔中的钙钛矿中提取电子，以限制电子向背电极的长距离扩散。这样，前ETL/钙钛矿界面，而不是后钙钛矿/碳界面，解释了导致电压损耗的复合问题。作者报道了由软酸性阳离子和硬碱阴离子组成的盐通过促进表面氧空位的电离来钝化二氧化钛上的缺陷，并抑制复合。用季磷酸铵处理mp-TiO₂ ETL使PCE的达到了22%，导致具有350 mV的开路电压。

这一结果打破p-MPSCs的PCE瓶颈，获得高性能光伏电池板，为采用全湿法加工技术和工业丰富材料的低成本发电提供了解决方案。

图1. 装置结构及工作原理

图2. 载流子动力学

图3. 盐与二氧化钛相互作用的密度泛函理论计算

图4. 缺陷钝化

图5. 设备性能测试

Jiale Liu*, Xiayan Chen*, Kaizhong Chen*, Wenming Tian*, Yusong Sheng, Bin She, Youyu Jiang, Deyi Zhang, Yang Liu, Jianhang Qi, Kai Chen, Yongmin Ma, Zexiong Qiu, Chaoyang Wang, Yanfeng Yin, Shengli Zhao, Jing Leng, Shengye Jin, Wenshan Zhao, Yanyang Qin, Yaqiong Su, Xiaoyu Li, Xiaojiang Li, Yang Zhou, Yinhua Zhou, Furi Ling†, Anyi Mei†, Hongwei Han†, Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells, Science. (2024).