近日，南方科技大學何祝兵教授團隊設計了一種帶有位阻效應的二甲基吖啶小分子，發展了一種全新的“分子擠出”工藝。
該工藝實現了該分子在鈣鈦礦結晶成膜過程中，被擠出到晶界和底面的出色效果，并獲得了無預置空穴傳輸層的倒置鈣鈦礦光伏電池 25.86% 的紀錄效率。
何祝兵表示，全新“分子擠出”工藝同步解決了鈣鈦礦薄膜導電類型的可控摻雜和晶界的全方位鈍化兩個關鍵科學問題。
圖丨何祝兵(來源：何祝兵)
近日，相關論文以《基于二甲基吖啶基分子摻雜的倒置鈣鈦礦太陽能電池》(Inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants)為題發表在 Nature上[1]。
南方科技大學博士后譚骎和李兆寧為論文的共同第一作者，何祝兵教授為唯一通訊作者。
圖 | 相關論文(來源：Nature)
審稿人對該論文評價稱，(該團隊所提出的)這個概念將有助于成本效益鈣鈦礦太陽能電池的制造。
另一位審稿人則表示：“在本研究中，作者合成了一種二甲基吖啶小分子，并利用其生產無孔傳輸層倒置鈣鈦礦太陽能電池，其 PCE 認證為 25.39%，這對鈣鈦礦太陽能電池領域來說是令人興奮的?！?/span>
圖 | 基于全新“分子擠出”工藝的倒置鈣鈦礦光伏技術(來源：該課題組)
從研究早期階段，何祝兵教授團隊就在倒置鈣鈦礦電池方向高度關注。多年來，他們在諸多方面儲備了扎實的理論基礎以及工藝技術經驗，包括關鍵材料合成和篩選、器件結構設計及器件物理分析等。
但是，有一點不得不引起重視，空穴傳輸材料作為技術中的核心材料，其自身的穩定性、合成價格與鈣鈦礦的界面反應導致倒置鈣鈦礦技術存在系列難題。所以，如何能夠為無空穴傳輸層器件結構“做減負”成了研究開展的關鍵。
如果想構建氧化銦錫/鈣鈦礦肖特基結，將鈣鈦礦調控為強 p 型半導體是“必經之路”。然而，因為晶格雜質離子的容忍度不高，目前，在鈣鈦礦導電類型的可控摻雜這個挑戰中尚未出現好的解決方案。值得關注的是，鈣鈦礦體相晶界缺陷屬于非發光性深能級缺陷，正是這個因素制約了器件性能發展。
從配位化學思想出發，何祝兵設計一種“分子擠出”工藝。這種工藝使該分子在鈣鈦礦結晶成膜過程中，達到了被擠出至晶界和底面的出色效果。這種現象會引起鈣鈦礦晶界以及表面的全覆蓋鈍化。
并且，該策略還極大地提升了界面空穴傳輸效率。研究人員發現，通過“分子擠出”工藝，鈣鈦礦晶粒表面和吖啶分子會發生以“電荷轉移復合體” 機制為前提的電子轉移現象。并由此引發鈣鈦礦的強 p 型摻雜，建立了能級失配 0.21eV 的肖特基結。
該工藝策略的優勢在于，不僅同時解決了領域內的兩個關鍵挑戰，還創造了倒置鈣鈦礦電池效率的新世界紀錄 25.86%(之前記錄為 22.20%)，第三方認證效率為 25.39%。
在晶界以及表面鈍化基礎上，加上 1000 小時標準陽光暴曬后，該器件效率還能維持在初期效率的 96.6%。并且，無晶界鈍化的參考電池在經過 500 小時暴曬后，該器件的效率衰減逾 20%。
圖 | 基于紅外原子力顯微(A-L)和二次離子質譜技術(M-N)測試，吖啶分子(DMAcPA)在鈣鈦礦薄膜中的分布狀態(來源：Nature)
除了紅外原子力顯微鏡，該團隊還通過二次離子質譜技術，使吖啶分子在鈣鈦礦薄膜晶界以及表面的分布直接呈現。與以往研究中無空穴傳輸層電池中功能分子的分布猜測不同，該研究證明了連續的分子擠出薄層是高性能器件的關鍵因素。
目前，何祝兵現為南方科技大學材料科學與工程系教授，深圳市全光譜發電功能材料重點實驗室主任。他的主要研究方向是開發面向“碳中和”的光伏光熱協同太陽能全光譜發電技術，特別是材料、器件和系統的界面物理化學方向的研究。
他本科畢業于合肥工業大學材料系，碩士畢業于中國科技大學材料系，并在香港城市大學物理與材料科學系獲得博士學位。目前，該團隊長期招聘有機光電材料合成、有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、雜化相變儲熱材料等領域博士后，歡迎聯系郵箱 hezb@sustech.edu.cn。
2022年以來，大量資本涌入鈣鈦礦光伏技術產業化浪潮，其中反式鈣鈦礦光伏電池因簡單的器件結構、顯著的成本下降潛力和關鍵材料選擇多樣性最受關注。何祝兵教授團隊從一開始就專注反式鈣鈦礦電池研究，在關鍵材料合成與篩選、器件結構設計與器件物理分析上積累了扎實理論和工藝技術基礎(Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803872;Adv. Mater. 2019, 31, 1902781;Adv. Mater. 2019, 31, 1805944;Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808855;Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703519;Adv. Mater. 2018, 30, 1800515;Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700722;Adv. Mater. 2017, 29, 1603923等)，取得了持續堅實的進展。
然而，關鍵材料尤其是空穴傳輸材料自身穩定性、合成成本及與鈣鈦礦的界面反應導致當前反式鈣鈦礦器件結構仍然不是產業化的最佳選擇。因此，更加簡化的無空穴傳輸層器件結構引起關注。為構建器件中關鍵的ITO/Perovskite肖特基結，鈣鈦礦需要調控為強p型半導體。眾所周知，由于晶格雜質離子容忍度低，截至目前，針對鈣鈦礦導電類型的可控摻雜仍然是關鍵難題。與此同時，作為非發光性深能級缺陷，鈣鈦礦體相晶界缺陷仍是阻礙器件性能進一步提升的主要原因。
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