钙钛矿薄膜与载流子传输层界面缺陷是制约钙钛矿太阳能电池性能及稳定性提升的关键因素。为此，我院张鸿研究员联合华北电力大学姚建曦教授以及洛桑联邦理工学院Michael Graetzel教授团队，创新性地提出了一种通过双主客体络合策略来优化FAPbI3钙钛矿太阳能电池体相和界面特性的方法。采用二维固态核磁共振光谱、扫描隧道显微镜/光谱等多种先进表征技术证实，该策略不仅能够有效钝化钙钛矿薄膜表面及界面上的缺陷，还能显著增强界面处载流子的提取与传输效率。基于此方法制备出的钙钛矿太阳能电池达到了25.89%的光电转换效率（认证效率为25.53%）。此外，在模拟一个标准太阳光照条件下连续工作1050小时后，这款初始效率达到25.55%的高效钙钛矿太阳能电池仍能保持其原始效率的96.6%以上，实现了高效率与长期稳定性之间的良好平衡，这标志着首次成功实现了高效率钙钛矿太阳能电池“稳效协同”的目标。这项研究成果为利用超分子工程技术提高钙钛矿光伏电池的稳定性和效率提供了新思路，并代表了该领域内的一个重要突破。相关论文已在《Nature Communications》杂志上发表。
图1：双主客体络合超分子界面调控策略实现高效率钙钛矿太阳能电池的“稳效协同”
电流密度-电压 (J-V) 曲线的滞后行为由不断变化的离子感应电场与载流子传输/复合之间的相互作用控制，提供了有关器件物理特性的重要信息。为了深入理解钙钛矿太阳能电池的退化机制，张鸿研究员联合安徽大学黄志祥教授、香港大学蔡植豪教授以及香港城市大学叶轩立教授团队，开发了一种瞬态离子修正的扩散漂移模型。通过研究器件老化过程中的迟滞变化特征，建立了特征J-V迟滞特性与关键器件问题（如体相和表面缺陷及各层低迁移率）之间的关系，实现了对钙钛矿太阳能电池老化机制的实时在线分析。这项工作为揭示钙钛矿太阳能电池在连续运行期间的退化根源及其解决和优化方法提供了新思路。相关论文已在《Nature Communications》杂志上发表。
图2：钙钛矿太阳能电池器件退化机制物理仿真模型
器件结构是影响钙钛矿太阳能电池稳定性的重要因素。近年来，反式结构（p-i-n）钙钛矿太阳能电池（PSCs）取得了显著进展，其光电转换效率（PCE）已超过26%，可与正式（n-i-p）结构电池相媲美。以反式PSC为子电池的叠层太阳能电池效率也迅速提升至>34%。相较于正式结构，反式钙钛矿太阳能电池在稳定性方面具有明显优势。张鸿研究员与信息学院詹义强教授及香港城市大学Alex K.-Y. Jen教授等人深入研究了反式PSCs中能量损失相关的挑战及其缓解策略，探讨了非辐射复合的起源，并回顾了创新的器件设计、钙钛矿成分和界面工程策略如何进一步提高反式PSCs的效率和长期运行稳定性。该论文近期以“Advances in inverted perovskite solar cells”为题发表在《Nature Photonics》期刊上。
图3：反式钙钛矿太阳电池的重要研究进展
以上工作得到了褚君浩院士的悉心指导以及光电研究院、光伏科学与技术全国重点实验室、上海市智能光电与感知前沿科学研究基地、国家自然科学基金、上海市浦江人才计划等科研平台和基金的大力支持。
原文链接：
1. Zhao, C., Zhou, Z., Almalki, M. et al. Stabilization of highly efficient perovskite solar cells with a tailored supramolecular interface. Nat Commun 15, 7139 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51550-z
2. Wang, Z.S., An, Y., Ren, X. et al. Device deficiency and degradation diagnosis model of Perovskite solar cells through hysteresis analysis. Nat Commun 15, 9647 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53162-z
3. Zhang, X., Wu, S., Zhang, H. et al. Advances in inverted perovskite solar cells. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01541-9
