基于有機-無機鹵化物混合鈣鈦礦的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）具有更高的能量轉換效率和更低的加工成本，已成為一種很有前途的發電技術。在過去的十年中，功率轉換效率（PCEs）迅速提高至25%以上，其中鈣鈦礦材料和空穴傳輸層（HTL）界面處的高效電荷提取和低非輻射復合是實現出色光伏（PV）性能的關鍵。2023年1月20日，華中科技大學李雄教授、榮耀光副教授，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授采用了一種分子工程策略，在混合陽離子鈣鈦礦中引入了一種具有膦酸官能化富勒烯衍生物作為晶界調節劑，實現了晶體結構的鞏固，同時系統研究了鈣鈦礦太陽能電池中光吸收層、空穴傳輸層和器件界面的性能退化機制。相關文章以“Radical polymeric p-doping and grain modulation for stable, efficient perovskite solar modules”為題發表在Science。2023年2月9日，華中科技大學李雄教授、榮耀光副教授，加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授和武漢理工大學麥立強教授等人通過在3D鈣鈦礦層的頂部引入交聯聚合物（CLP），然后通過蒸汽輔助兩步工藝沉積2D鈣鈦礦層，形成3D/CLP/2D鈣鈦礦異質結構，CLP通過抑制陽離子在2D和3D鈣鈦礦之間的擴散來穩定異質結構，從而報道了效率為21.2%的小面積器件和效率為19.6%的微型模塊，其在最大功率點跟蹤和高溫單日照照明下，器件在運行4390小時后仍能保持90%的初始性能。相關文章以“Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance”為題發表在Nature Energy。2023年4月18日，華中科技大學李雄教授，瑞士洛桑聯邦理工大學Michael Gr?tzel教授和沈重金教授又一次在Nature Energy以題為“Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance”闡述了一種具有雙功能分子用作鈣鈦礦和HTM之間的界面層，提供界面缺陷鈍化以實現界面的化學相容性，從而實現了設備性能大幅度提高。
主要內容在此，華中科技大學李雄教授，瑞士洛桑聯邦理工大學Michael Gr?tzel教授和沈重金設計了一種含有咔唑-三苯胺和苯基碘化銨單元的雙功能分子CBz-PAI，以鈍化鈣鈦礦/HTL界面上的缺陷。由于與鈣鈦礦具有良好的能級對齊性，CBz-PAI充當鈣鈦礦層和HTL之間的空穴穿梭，這使鈣鈦礦的準費米能級分裂或“內部”Voc和外部器件Voc之間的偏差最小化，從而減少了電壓損失。結果顯示，采用CBz-PAI的太陽能電池在潮濕功率試驗（85℃和85%相對濕度）1000h后達到穩定的功率轉換效率24.7%，保持初始效率的92.3%，在最大功率點跟蹤條件下1100h后保持初始效率的94.6%。相關文章以“Bifunctional hole-shuttle molecule for improved interfacial energy level alignment and defect passivation in perovskite solar cells”為題發表在Nature Energy。作者巧妙地設計并合成了一種同時具有卡唑-三苯胺（CBz）和苯基碘化銨分子片段（PAI）的雙功能有機半導體小分子CBz-PAI。其中PAI單元充當有效的缺陷鈍化劑，而甲氧基取代的三苯胺的共軛結構與螺-OMeTAD層高度相容，可實現從鈣鈦礦到HTL層的出色空穴轉移或空穴穿梭。由于HOMO能級通過CBz單元的共軛結構得到了很好的調節，因此CBz-PAI與鈣鈦礦層表現出非常小的價帶邊緣/HOMO能級錯位（40 meV），電壓損耗最小化，同時高效的空穴穿梭機制使其實現了較低的串聯電阻。圖1.?CBz-PAI分子的合成及表征圖2.?經過和不經過CBz-PAI處理的鈣鈦礦薄膜的表征圖3.?控制和目標鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能圖4.?光電性能表征圖5.?控制裝置（PEAI作為鈍化器）和目標裝置（CBz-PAI）PSC裝置的運行穩定性測試綜上所述，本文開發了一種具有CBz單元和PAI兩個官能團的雙功能分子CBz-PAI，并用作鈣鈦礦和HTM之間的界面層，其作用是提供界面缺陷鈍化，鈣鈦礦價帶與空穴導體價帶之間的能級錯位容忍度以及與HTL的化學相容性，從而實現了設備性能大幅度提高。這項工作揭示了由于這種能級對齊而導致的這些最小電壓損失背后的機制，通過詳細的光電器件表征得到了漂移擴散仿真的證實。由于其雙功能性，PSC器件在模擬空氣質量（AM）1.5G照明下實現了24.7%的PCE。值得注意的是，非封裝的CBz-PAI基PSC器件表現出優異的長期穩定性，在最大功率點（MPP）跟蹤條件下，測量1100 h后保留了94.6%的初始PCE。作者介紹李雄，現任華中科技大學教授，博士生導師，國家級人才工程青年項目入選者，湖北省人才工程青年項目入選者，武漢光電國家實驗室格蘭澤爾介觀太陽能電池研究中心成員，武漢大學化學與分子科學學院理學博士，2013-2017年瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）博士后，博后合作導師為歐洲科學院院士、洛桑聯邦理工大學化學系Michael Gr?tzel教授。李雄博士于2017年7月回國，在基于染料和鈣鈦礦材料的光伏器件研究方面積累了豐富的知識和經驗。針對新型太陽能電池產業化進程中所面臨的光電轉化效率、穩定性和制備成本等三項重要技術問題，李雄博士從分子設計、材料合成、界面修飾、器件優化、機理分析等角度對鈣鈦礦太陽能電池進行了全面深入地探索并取得一系列重要研究成果：以第一作者/共同一作或通訊作者在Science（2篇）、Nature Chem.（1篇）、Nature Commu.等SCI期刊上發表21篇學術論文；以共同作者在Nature Energy、Nature Communications等雜志上參與發表30篇論文；已申請2項國際專利、3項歐洲專利及6項中國專利。論文SCI引用率超過5000次。來源：
文獻信息1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.add87862.Luo, L., Zeng, H., Wang, Z.?et al.?Stabilization of 3D/2D perovskite heterostructures via inhibition of ion diffusion by cross-linked polymers for solar cells with improved performance.?Nat Energy?8, 294–303 (2023).https://doi.org/10.1038/s41560-023-01205-y3.You, S., Eickemeyer, F.T., Gao, J. et al. Bifunctional hole-shuttle molecule for improved interfacial energy level alignment and defect passivation in perovskite solar cells. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01249-0
