香港理工李刚&UCLA杨阳Nature Energy: 认证效率25.1%的钙钛矿有机串联太阳能电池

香港理工大学李刚教授与加州大学洛杉矶分校杨阳教授团队在《Nature Energy》发表研究成果，开发出认证效率25.1%的钙钛矿/有机串联太阳能电池（POTSC），通过底部接触调制策略显著提升了器件性能与稳定性。科学背景与挑战POTSC的优势与局限：钙钛矿/有机串联太阳能电池具有成本低、制造简便、使用正交溶剂、提高子电池稳定性、低温处理及柔性好等优势，但开发进度落后于钙钛矿/c-Si（33.9%）和全钙钛矿（29.4%）串联电池。目前领先的p–i–n结构富含溴混合阳离子基POTSC的功率转换效率（PCE）为25.82%（认证25.06%）。宽带隙钙钛矿的瓶颈：全无机CsPbI2Br钙钛矿带隙约1.9 eV，与有机太阳能电池（带隙约1.33 eV）形成理想搭配，且具有热稳定性高、成分简单、无需反溶剂加工等优势。然而，其存在相变不稳定、结晶不良、埋藏针孔、高缺陷密度及能量排列不佳等问题，导致电压损失显著，效率限制在24%。底部界面问题：CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的电压损失与相不稳定性、缺陷陷阱及底部接触界面不良有关，导致能量排列差和界面复合严重，晶体生长质量低。传统中等带隙（1.6 eV）电子传输层（ETL）在WBG CsPbI2Br中无效，引发能量排列不良和缺陷钝化低效。创新成果与突破底部接触调制策略：团队开发了酸性掺杂镁的氧化锡量子点（M-SQDs）墨水，通过调节WBG CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的底部接触，改善了能带排列、钝化缺陷、增强钙钛矿薄膜生长并降低不稳定性。单结电池性能：CsPbI2Br PSC的PCE达19.17%，光电压损失仅0.43 V。串联电池性能：POTSC的PCE高达25.90%（认证25.08%），开路电压（VOC）为2.21伏，在45°C±5°C、70%湿度、1个太阳光照下1000小时内保持85%性能，且在-40°C至85°C间经200次热循环后仍保持95%的PCE。稳定性机制揭示：研究指出碱性基底的二氧化锡溶液会降低器件稳定性，而酸性M-SQDs基底有效抑制了钙钛矿薄膜在潮湿环境下的降解，显著提高了湿度稳定性。核心创新点解析界面调控策略：合成酸性M-SQDs，平衡物理、化学、结构和能量特性，钝化缺陷并优化能带对齐。增强钙钛矿薄膜生长，减轻相变不稳定性和结晶不良问题。高性能钙钛矿电池：基于M-SQDs的CsPbI2Br电池实现19.2%的PCE和1.44 V的开路电压。高效稳定串联电池：POTSC效率达25.9%（认证25.1%），开路电压2.21 V，稳定性显著提升。稳定性机制：揭示碱性二氧化锡底层接触的不稳定性机制，强调酸碱性质对钙钛矿稳定性的关键影响。数据支撑与表征M-SQDs性质：通过密度泛函理论（DFT）计算验证酸性M-SQDs的电子结构优势，其导带位置与CsPbI2Br钙钛矿匹配良好，促进电荷传输。钙钛矿薄膜表征：调制底部ETL接触后的CsPbI2Br薄膜结晶性显著改善，针孔减少，表面覆盖度提高。深度剖析GIWAXS表征显示，酸性M-SQDs基底抑制了钙钛矿的降解途径，延长了器件寿命。光伏性能：单结CsPbI2Br PSC和有机太阳能电池（OSC）的J-V曲线显示，串联后效率显著提升，开路电压叠加效应明显。长期稳定性测试和热循环测试数据证实了POTSC的优异耐候性。成果意义与启示技术突破：通过底部接触调制策略，解决了WBG CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的结晶控制、缺陷钝化及能量排列难题，为高效稳定钙钛矿/有机串联电池提供了新思路。稳定性提升：酸性M-SQDs基底的引入显著提高了器件在潮湿和热循环条件下的稳定性，推动了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。理论指导：研究揭示了二氧化锡溶液酸碱性质对器件稳定性的影响，为未来材料设计提供了理论依据。研究链接：Inorganic perovskite/organic tandem solar cells with 25.1% certified efficiency via bottom contact modulation