SERIS侯毅Nature：認(rèn)證效率26.4%！鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池中近紅外吸收新突破！

主要內(nèi)容

新加坡國立大學(xué)新加坡太陽能研究所（SERIS）化學(xué)與生物分子工程系的侯毅教授帶領(lǐng)團隊，針對鈣鈦礦 - 有機疊層太陽能電池展開了深入研究。鈣鈦礦 - 有機疊層太陽能電池因在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域潛力巨大而備受關(guān)注，它融合了鈣鈦礦和有機半導(dǎo)體的優(yōu)勢，有望為未來清潔能源供應(yīng)提供高效解決方案。

鈣鈦礦與有機半導(dǎo)體均具備寬帶隙可調(diào)特性，這為開發(fā)理論效率可觀的鈣鈦礦 - 有機疊層太陽能電池創(chuàng)造了條件。然而，此前報道的鈣鈦礦 - 有機疊層太陽能電池認(rèn)證效率低于單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，主要制約因素在于窄帶隙有機子電池的近紅外光電流不足。

在此背景下，侯毅教授團隊設(shè)計并合成了一種不對稱非富勒烯受體（NFA）材料 P2EH - 1V。該材料憑借單側(cè)共軛π橋結(jié)構(gòu)，成功將光學(xué)帶隙降低至 1.27 eV，在維持理想激子解離的同時，保持了良好的納米形貌。瞬態(tài)吸收光譜顯示，P2EH - 1V 可向給體材料 PM6 實現(xiàn)高效的空穴轉(zhuǎn)移。在不影響電荷產(chǎn)生效率的前提下，基于 P2EH - 1V 的器件將非輻射電壓損失降低至 0.20 eV。*終，團隊實現(xiàn)了有機底電池 17.9% 的效率，其短路電流密度（Jsc）高達 28.60 mA cm?2。

在有機底電池取得顯著成效的同時，團隊在鈣鈦礦頂電池方面也取得了重要突破。通過**限度地減少界面復(fù)合損失，鈣鈦礦頂電池實現(xiàn)了開路電壓（Voc）1.37 V 和填充因子（FF）85.5% 的優(yōu)異性能。這些突破性進展使鈣鈦礦 - 有機疊層太陽能電池在大于 1 cm2 的有效面積上實現(xiàn)了 26.7% 的認(rèn)證效率（認(rèn)證值為 26.4%），創(chuàng)下新紀(jì)錄。

受底電池吸收光譜拓寬以及前電池均勻性良好的鼓舞，侯毅教授團隊制備了具有玻璃/ITO/SAM/鈣鈦礦/C60/SnOx/ITO/MoOx/有機層/PDINN/Ag 器件結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦 - 有機疊層電池。為使子電池間實現(xiàn)良好的電流密度平衡，團隊將前電池和底電池中鈣鈦礦、有機吸收層的厚度分別優(yōu)化至約 290 nm 和 110 nm（圖 4a）。圖 4b 和補充圖 29 展示了采用不同有機吸收層（PM6:P2EH 和 PM6:P2EH - 1V）的**性能鈣鈦礦 - 有機疊層電池的 J - V 曲線。統(tǒng)計結(jié)果表明，短路電流密度（Jsc）的大幅提升是效率提高的關(guān)鍵因素（圖 4c 和補充圖 30）。值得注意的是，與基于 PM6:Y6 的器件相比，基于 PM6:P2EH - 1V 的器件效率從 25.8% 提高到 27.5%，開路電壓（Voc）為 2.14 V，短路電流密度（Jsc）為 15.37 mA cm?2，填充因子（FF）為 83.7%（補充圖 31）。這是目前報道的鈣鈦礦 - 有機疊層電池的*高光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。通過外量子效率（EQE）測量得到的頂電池和底電池的積分短路電流密度（Jsc）分別為 15.20 mA cm?2 和 15.14 mA cm?2（圖 4d），與 J - V 測量得到的短路電流密度值高度一致。P2EH - 1V 展現(xiàn)出顯著拓寬的近紅外吸收，實現(xiàn)了明顯更高的積分短路電流密度。

此外，侯毅教授團隊還展示了有效面積為 1.019 cm2 的鈣鈦礦 - 有機疊層電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為 26.7%，開路電壓為 2.14 V，短路電流密度為 15.15 mA cm?2，填充因子為 82.4%（補充圖 32），顯示出良好的規(guī)模化應(yīng)用潛力。團隊將 1 cm2 的器件送至經(jīng)認(rèn)證的獨立光伏校準(zhǔn)實驗室（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，SIMIT）進行認(rèn)證，獲得 26.4% 的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率，且無遲滯現(xiàn)象（圖 4e 和補充圖 33），與實驗室測量值吻合良好。在 300 s 的連續(xù)跟蹤測試中，該 1 cm2 鈣鈦礦 - 有機疊層電池的**功率點跟蹤效率仍能達到 26.5% 的穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換效率（圖 4f）。如圖 4g 和補充表 9 所示，該認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率超過了所有已認(rèn)證的厘米級單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池、鈣鈦礦 - 銅銦鎵硒（CIGS）疊層電池和鈣鈦礦 - 有機疊層電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

侯毅教授團隊還評估了鈣鈦礦 - 有機疊層電池在環(huán)境大氣（25 °C，相對濕度 85%）下的長期穩(wěn)定性，該條件較 ISOS - L - 1 協(xié)議規(guī)定更為嚴(yán)苛（圖 4h）。封裝后的鈣鈦礦 - 有機疊層電池在相對濕度 85% 的環(huán)境中，經(jīng)連續(xù) 太陽光 LED 照射 783 小時，進行**功率點（MPP）跟蹤后，仍能保持初始效率的 80%。而單結(jié)有機光伏電池的 T??（效率降至初始值 80% 所需時間）僅為 180 小時（補充圖 34），這表明疊層結(jié)構(gòu)在提高有機光伏電池穩(wěn)定性方面具有潛力。這種提升主要歸因于前電池寬帶隙鈣鈦礦層的紫外過濾效應(yīng)，該效應(yīng)減少了高能光子對有機材料的降解。為實現(xiàn)更長的穩(wěn)定性，未來團隊將采取抑制寬帶隙鈣鈦礦相分離、穩(wěn)定本體異質(zhì)結(jié)形貌以及為有機子電池開發(fā)穩(wěn)健的界面層等策略。

文獻信息：

Efficient near-infrared harvesting in perovskite–organic tandem solar cells

Zhenrong Jia, Xiao Guo, Xinxing Yin, Ming Sun, Jiawei Qiao, Xinyu Jiang, Xi Wang, Yuduan Wang, Zijing Dong, Zhuojie Shi, Chun-Hsiao Kuan, Jingcong Hu, Qilin Zhou, Xiangkun Jia, Jinxi Chen, Zhouyin Wei,

Shunchang Liu, Haoming Liang, Nengxu Li, Ling Kai Lee, Renjun Guo, Stephan V. Roth, Peter Müller-Buschbaum, Xiaotao Hao, Xiaoyan Du & Yi Hou

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09181-x

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