近日我校教師高蔚茵以第一作者、西安石油大學(xué)為第一單位在《Advanced Materials》(JCR、中科院分區(qū)雙一區(qū)TOP期刊，IF=26.8)期刊上發(fā)表了題為“Interface Matters: Boosting Efficient Pb-Sn Perovskite SolarCells for All-Perovskite Tandem Photovoltaics”的論文。
金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在過去十年中取得了顯著進展，但其單結(jié)器件的效率受限于肖克利-奎伊瑟理論極限。為突破這一瓶頸，構(gòu)建疊層太陽能電池成為最有效途徑。全鈣鈦礦疊層電池因其低成本、高效率和柔性兼容性備受關(guān)注，其中窄帶隙鉛-錫混合鈣鈦礦子電池負(fù)責(zé)吸收紅外光子，其性能直接決定疊層器件的整體表現(xiàn)。然而，Sn2?易氧化、結(jié)晶過程難以控制、薄膜缺陷密度高以及界面能級不匹配等問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的非輻射復(fù)合損失、載流子擴散長度不足和提取效率低下，制約了單結(jié)鉛-錫電池達到約32%的理論效率極限，也阻礙了疊層電池向約46%的理論效率邁進。近年來，界面工程策略在抑制缺陷、優(yōu)化能級排列和提升穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出巨大潛力，推動單結(jié)鉛-錫電池效率超過24%，疊層電池效率突破30%。因此，系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前鉛-錫鈣鈦礦界面工程的進展，建立研究范式，對實現(xiàn)高性能疊層器件的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
該綜述聚焦Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的界面工程，在這項研究中，研究人員全面綜述了鉛-錫鈣鈦礦太陽能電池中界面工程的最新進展，深入分析了晶界、埋底界面和頂部界面三類關(guān)鍵界面的科學(xué)問題與解決方案。研究指出，晶界處Sn2?氧化和電荷俘獲是主要瓶頸，研究人員開發(fā)了多種功能分子通過錨定效應(yīng)穩(wěn)定Sn2?并調(diào)控結(jié)晶動力學(xué)，例如采用半胱氨酸鹽酸鹽將Sn??比例從58.5%降至27.7%，使疊層器件效率達25.7%。針對埋底界面，研究總結(jié)了PEDOT: PSS空穴傳輸層的改性策略，包括添加交聯(lián)劑、表面模板工程和開發(fā)氧化鎳等替代材料，其中草酸修飾的PEDOT: PSS使單結(jié)電池效率提升至22.56%。對于頂部界面，研究闡述了表面鈍化和二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)建方法，如乙二胺二碘化物處理顯著降低缺陷密度，實現(xiàn)單結(jié)效率22.9%。研究特別強調(diào)，多界面協(xié)同優(yōu)化是進一步提升性能的關(guān)鍵，例如采用天冬氨酸鹽酸鹽同時調(diào)控三個界面，使疊層電池效率達27.84%并保持2000小時穩(wěn)定性。這些進展為鉛-錫鈣鈦礦的界面設(shè)計提供了系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和實驗依據(jù)。
這項系統(tǒng)綜述明確了界面工程在推動鉛-錫鈣鈦礦太陽能電池和全鈣鈦礦疊層電池發(fā)展中的核心作用。當(dāng)前，實驗室級疊層器件效率已達30.6%，展現(xiàn)了巨大應(yīng)用潛力，但向產(chǎn)業(yè)化邁進仍面臨高質(zhì)量厚膜制備、長期運行穩(wěn)定性、柔性器件機械可靠性以及大面積模組效率保持等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。未來研究需聚焦三個方向：一是開發(fā)原位監(jiān)測與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的智能制備技術(shù)，實現(xiàn)厚膜結(jié)晶過程的精準(zhǔn)控制；二是構(gòu)建從體相鈍化到外部封裝的多層級保護體系，提升器件在濕熱、光照和氧氣環(huán)境下的穩(wěn)定性；三是探索適用于柔性襯底的動態(tài)界面分子，增強機械應(yīng)力耐受性。此外，推進大面積涂布技術(shù)、優(yōu)化器件架構(gòu)設(shè)計并建立有效封裝標(biāo)準(zhǔn)，是實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的必由之路。隨著學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界協(xié)同深化，界面工程將繼續(xù)作為推動全鈣鈦礦疊層光伏技術(shù)突破的關(guān)鍵引擎，為下一代高效、穩(wěn)定、柔性的清潔能源解決方案奠定基礎(chǔ)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202521789
