有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池作為新一代光伏技術(shù)，其效率已接近晶硅太陽能電池，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。影響鈣鈦礦太陽能電池光伏性能與穩(wěn)定性的主要限制因素在于界面處存在大量缺陷。盡管在界面處引入二維（2D）鈣鈦礦材料能有效緩解界面缺陷、抑制非輻射復(fù)合，同時增強(qiáng)疏水性與熱穩(wěn)定性。然而，在三維（3D）鈣鈦礦層的上表面實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)較為簡單，但構(gòu)建埋底界面的2D/3D結(jié)構(gòu)卻困難得多。這是因?yàn)樾纬?/span>2D鈣鈦礦的配體在后續(xù)上層薄膜沉積過程中極易溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）等極性溶劑中。
針對這一難題，青島能源所鈣鈦礦組件技術(shù)研究組基于其在無機(jī)氧化物寬帶隙半導(dǎo)體材料及器件研究的長期積累，通過配體分子表面調(diào)控，開發(fā)了一種調(diào)控氧化錫納米顆粒表面配體作用力以界面處自發(fā)釋放胺類配體形成2D/3D異質(zhì)結(jié)的策略。研究團(tuán)隊(duì)依次將巰基乙酸（TGA）和油胺（OAm）接枝到二氧化錫納米顆粒表面（SnO2–TGA–OAm），TGA與OAm之間的強(qiáng)化學(xué)鍵確保了僅在鈣鈦礦薄膜的熱退火過程中發(fā)生與FAI的陽離子交換，從而在鈣鈦礦薄膜底部界面處自發(fā)形成2D/3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這種位置可控的2D/3D結(jié)構(gòu)加速了鈣鈦礦相的形成，顯著提升鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，使薄膜底層界面的缺陷濃度降低十倍以上。對應(yīng)的鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出卓越的光電轉(zhuǎn)換效率：26.19%（0.09 cm2)、23.44%（孔徑面積21.54 cm2，認(rèn)證效率為22.68%）及22.22%（孔徑面積64.80 cm2）。
氧化錫納米材料鏈段調(diào)控以實(shí)現(xiàn)原位構(gòu)建2D/3D異質(zhì)結(jié)原理圖
相關(guān)成果以“Buried 2D/3D heterojunction in n-i-p perovskite solar cells through in-situ solid-state ligand-exchange reaction”為題，發(fā)表于能源、材料領(lǐng)域頂級期刊Nature Energy。該工作由青島能源所主導(dǎo)，聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)、阿卜杜拉國王科技大學(xué)、青島科技大學(xué)等6家國內(nèi)外機(jī)構(gòu)共同完成。青島能源所和西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生趙強(qiáng)強(qiáng)為論文第一作者，鈣鈦礦組件技術(shù)研究組逄淑平研究員，西北工業(yè)大學(xué)王凱教授，阿卜杜拉國王科技大學(xué)KAUST Stefaan De Wolf教授，青島科技大學(xué)王莉副教授共同指導(dǎo)。本研究得到了中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)(B類先導(dǎo)專項(xiàng))、國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金-區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省泰山學(xué)者、青島能源所/山東能源研究院/青島新能源山東省實(shí)驗(yàn)室“強(qiáng)基”計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
