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近年來，鈣鈦礦材料在光伏領域頗具潛力，單結鈣鈦礦太陽能電池效率屢創(chuàng)新高。為進一步提高光電轉化效率，科研人員制備了一系列基于寬帶隙鈣鈦礦的疊層太陽能電池，如鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池、鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池等。相較于其他種類的疊層太陽能電池，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池作為新興技術而備受關注。在鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池中，研究人員以寬帶隙鈣鈦礦材料為頂電池來吸收短波長太陽光，以窄帶隙有機活性層為底電池來吸收近紅外長波長太陽光。這拓寬了可利用太陽光譜范圍并降低了能量損失。研究顯示，鈣鈦礦子電池可以過濾高能量光子以保護有機活性層并防止其光降解，有機子電池可以作為封裝層隔絕水氧以提升環(huán)境穩(wěn)定性，疊層太陽能電池的中間透明電極層可以緩解鈣鈦礦頂電池負極處離子擴散等問題，從而使鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的穩(wěn)定性優(yōu)于單結鈣鈦礦和單結有機太陽能電池。同時，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池保留了可溶液制備太陽能電池的本征優(yōu)勢。

提升開路電壓是提高鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池效率的關鍵因素。在鈣鈦礦太陽能電池中，寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C₆₀電子傳輸層界面處經常存在嚴重的界面復合，表面態(tài)誘導的導帶費米能級釘扎效應造成電壓損失。為降低界面處的電壓損失進而提升太陽能電池效率，鈍化寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C₆₀電子傳輸層的界面是有效的策略。

中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫/孟磊團隊在前期成果的基礎上，研究了鈣鈦礦/有機疊層太陽電池。該團隊剖析了具有順反異構特性的1,4-環(huán)己二胺分子對于寬帶隙鈣鈦礦表面的鈍化機制，揭示了兩種順反異構的鈍化劑分子所致的鈣鈦礦表面結構差異，篩選出擁有優(yōu)勢構型的順式鈍化分子（cis-CyDAI₂）。該工作結合理論計算與X射線研究順反兩種鈍化劑分子結構導致的鈣鈦礦表面結構差異，探討不同鈍化分子處理的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產率，提取得到相應的準費米能級分裂，發(fā)現cis-CyDAI₂處理的鈣鈦礦薄膜有更高的理論開路電壓。進一步地，研究通過紫外光電子能譜與表面開爾文力顯微鏡等測試手段發(fā)現，cis-CyDAI₂導致寬帶隙鈣鈦礦表面費米能級上升，削弱表面釘扎效應，且與電子傳輸層有更好的接觸。研究在具有1.88 eV帶隙的寬帶隙鈣鈦礦單結電池中獲得了1.36 V的開路電壓與18.4%的光電轉換效率。這一策略為寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池降低電壓損失提供了全新思路。

進一步地，科研人員結合窄帶隙有機材料底電池構建了鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池，獲得了26.4%的光電轉換效率（經第三方認證為25.7%），為目前報道的鈣鈦礦/有機疊層太陽電池的最高效率。

10月14日，相關研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院的支持。該工作由化學所和德國波茨坦大學合作完成。

論文鏈接

（a）鈣鈦礦鈍化劑CyDAI₂化學結構，（b）通過測試不同條件下薄膜的準費米能級分裂和器件的開路電壓總結的電壓損耗示意圖，（c）鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池結構示意圖及掃描電鏡截面圖，（d）太陽能電池的電流密度-電壓曲線