近年來鈣鈦礦材料在光伏領(lǐng)域的潛力不斷被人們發(fā)掘，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池效率屢創(chuàng)新高。為進一步提高光電轉(zhuǎn)化效率，研究者進一步制備了一系列基于寬帶隙鈣鈦礦的疊層太陽能電池，比如鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池，鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池等。相較于其他種類的疊層太陽能電池，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池作為一種新興技術(shù)而備受關(guān)注。在鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池中，采用寬帶隙鈣鈦礦材料作為頂電池吸收短波長太陽光，采用窄帶隙有機活性層作為底電池吸收近紅外長波長太陽光，大幅拓寬可利用太陽光譜范圍并降低能量損失。同時，鈣鈦礦子電池可以過濾高能量光子以保護有機活性層、防止其光降解；有機子電池可以作為封裝層隔絕水氧，提升環(huán)境穩(wěn)定性，同時疊層太陽能電池的中間透明電極層還可以緩解鈣鈦礦頂電池負極處離子擴散等問題，從而使鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的穩(wěn)定性優(yōu)于單結(jié)鈣鈦礦和單結(jié)有機太陽能電池。另外，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池也保留了可溶液制備太陽能電池的本征優(yōu)勢。

開路電壓的提升是提高鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池效率的關(guān)鍵因素。在鈣鈦礦太陽能電池中，寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C60電子傳輸層界面處經(jīng)常存在嚴重的界面復(fù)合，表面態(tài)誘導(dǎo)的導(dǎo)帶費米能級釘扎效應(yīng)會造成電壓損失。為降低界面處的電壓損失從而提升太陽能電池效率，鈍化寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C60電子傳輸層的界面是一種有效的策略。

在國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院先導(dǎo)項目和科技部重點研發(fā)計劃的支持下，化學(xué)所有機固體院重點實驗室李永舫/孟磊團隊在前期研究的基礎(chǔ)上，對鈣鈦礦/有機疊層太陽電池進行了深入研究。他們研究了具有順反異構(gòu)特性的1,4-環(huán)己二胺分子對于寬帶隙鈣鈦礦表面的鈍化機制（圖1a），系統(tǒng)性的揭示了兩種順反異構(gòu)的鈍化劑分子所導(dǎo)致的鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)差異，最終篩選出擁有優(yōu)勢構(gòu)型的順式鈍化分子（cis-CyDAI2）。結(jié)合理論計算與X射線研究了順反兩種鈍化劑分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)差異，通過研究不同鈍化分子處理的鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，提取得到了相應(yīng)的準費米能級分裂（圖1b），發(fā)現(xiàn)cis-CyDAI2處理的鈣鈦礦薄膜有更高的理論開路電壓。進一步地，他們通過紫外光電子能譜與表面開爾文力顯微鏡等測試手段發(fā)現(xiàn)，cis-CyDAI2會導(dǎo)致寬帶隙鈣鈦礦表面費米能級上升，削弱表面釘扎效應(yīng)，與電子傳輸層有更好的接觸。最終在具有1.88 eV帶隙的寬帶隙鈣鈦礦單結(jié)電池中獲得了 1.36 V的開路電壓與18.4%的光電轉(zhuǎn)換效率。該策略為寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池降低電壓損失提供了全新思路。

最終，他們結(jié)合窄帶隙有機材料底電池構(gòu)建了鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池（圖1c），獲得了26.4%的光電轉(zhuǎn)換效率（圖1d）（經(jīng)第三方認證為25.7%），為目前報道的鈣鈦礦/有機疊層太陽電池的最高效率。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《自然》上（Nature.2024, DOI:10.1038/s41586-024-08160-y ），文章的共同第一作者為博士生蔣鑫和秦書誠博士，通訊作者為孟磊研究員、德國波茨坦大學(xué)Felix Lang教授以及化學(xué)所李永舫研究員。

圖1. (a) 鈣鈦礦鈍化劑CyDAI2化學(xué)結(jié)構(gòu) (b) 通過測試不同條件下薄膜的準費米能級分裂和器件的開路電壓總結(jié)的電壓損耗示意圖 (c) 鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖以及掃描電鏡截面圖 (d) 太陽能電池的電流密度-電壓曲線