通訊作者：朱宗龍，Nicholas J. Long論文DOI：10.1126/science.abm8566
二茂鐵有機金屬衍生物同時具備了有機材料和無機材料的優異特性，作為功能化界面層可以有效降低反式鈣鈦礦太陽能電池界面中的非輻射複合，同時加快電荷傳輸速度，最終實現反式器件的效率記錄(25%)和優異的穩定性，本文為設計穩定高效的鈣鈦礦太陽能電池界面材料提供了新思路。反式(p-i-n)鈣鈦礦太陽能電池由於具有較長的運行穩定性備受關注。但是，與正式(n-i-p)鈣鈦礦太陽能電池相比，反式鈣鈦礦太陽能電池的發展仍然受制於其較低的功率轉換效率(PCE)。而且，反式鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和使用壽命仍無法達到國際電工委員會對於商業化光伏器件的認定標準(IEC61215:2016)。鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層界面間的缺陷和非理想電荷傳輸是制約反式鈣鈦礦太陽能電池效率和穩定性的關鍵因素之一，因此有效的界面層材料選擇尤為重要。(i)本工作通過引入二茂鐵有機金屬衍生物(ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate(FcTc2))功能化界面層大幅度地提高了反式鈣鈦礦太陽能電池的PCE以及長期穩定性。FcTc2中的有機官能團有效地鈍化了鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子引起的缺陷，同時由於二茂鐵基團的富電子及其可離域的特性極大限度地提高了鈣鈦礦界面間的電荷傳輸速度。(ii)通過FcTc2界面修飾後的器件，其短路電壓(VOC)以及填充因子(FF)得到了較大的提升，實驗室測試效率達到了反式鈣鈦礦太陽能電池記錄效率25%(認證效率為24.3%)。(iii)FcTc2界面修飾後的器件展現了優異的穩定性，在長期光照運行1500小時後仍維持在初始效率的98%，在濕熱環境下(85℃/85% RH)的穩定性測試通過了IEC61215:2016的國際標準
(i)本文採用二茂鐵有機金屬衍生物FcTc2修飾鈣鈦礦/C60界面。(ii)通過飛行時間二次離子質譜儀(TOF-SIMS)證明了FcTc2主要分布在鈣鈦礦活性層表面，沒有進入晶格，從而不影響鈣鈦礦的結晶及其光學特性。(iii)X射線光電子能譜(XPS)證明了FcTc2與鈣鈦礦表面具有較強的相互作用。(iv)密度泛函理論(DFT)模擬計算表明FcTc2中的O原子與鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子形成牢固的Pb-O鍵，並顯著增強鈣鈦礦和FcTc2之間的靜電吸引力。(v)鈣鈦礦和FcTc2之間較強的結合力有利於鈣鈦礦表面的缺陷鈍化和提高鈣鈦礦結構的穩定性。(i)開爾文探針力顯微鏡(KPFM)顯示，FcTc2處理後的鈣鈦礦薄膜相比於對照組薄膜具有更均勻的表面接觸電位分布，從而更有利於電荷傳輸以及降低非輻射複合。(ii)光熱誘導共振譜(PFIR)顯微鏡成像結果顯示，經過FcTc2處理後的鈣鈦礦薄膜中MA+陽離子的強度和分布在老化1000小時仍然保持良好，而對照組鈣鈦礦薄膜的MA+信號顯著降低和擴散。(iii)FcTc2界面層能有效的抑制鈣鈦礦表面的離子遷移和揮發,為良好的器件穩定性奠定基礎。(i)通過FcTc2界面修飾的反式鈣鈦礦器件的最高PCE達到了記錄值25%(認證效率24.3%)，其中VOC:1.184V (1.179V)，JSC: 25.68 mA cm-2(25.59 mA cm-2), FF: 82.32% (80.56%)。(ii)通過FcTc2界面修飾的鈣鈦礦器件的平均效率達到了24.5%，同時具有了良好的可重複性。(iii)通過FcTc2界面修飾的鈣鈦礦器件的光致發光效率達到了7%，由此計算得出因非輻射複合導致的能量損失低至68.75 mV,遠小於參比器件的108.57 mV,進一步證明了FcTc2能有效地抑制鈣鈦礦太陽能電池的非輻射複合，降低能量損失。
(i)封裝後的FcTc2基鈣鈦礦器件在連續光照條件1500小時後仍能保持原始效率的98%。(ii)本工作還依據了IEC61215:2016國際標準對鈣鈦礦太陽能電池進行了更加嚴苛的穩定測試。在雙85(85℃/85% RH)條件下，FcTc2基鈣鈦礦器件在1000小時後仍能保持原始效率的95%，符合IEC61215:2016的濕熱環境穩定性的標準。同時，FcTc2基鈣鈦礦器件在200次冷熱衝擊(-40℃-85℃)循環後仍能保持初始效率的85%。二茂鐵有機金屬衍生物材料為進一步提高反式鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率以及穩定性提供了新的界面層分子設計思路，有助於推動了鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程。
朱宗龍，香港城市大學助理教授。2010年南京大學本科畢業，2015年畢業於香港科技大學，獲得博士學位。2018年6月起任香港城市大學助理教授，主要從事光電功能材料的設計與合成（有機或無機功能材料設計與改性、界面材料調控）及其在光伏器件中應用的相關研究。朱博士目前已在Science，Nat. Nanotechnol., Nat. Commun.,Chem. Soc. Rev.J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.,Joule,Adv. Mater.等各類期刊發表相關工作共發表110餘篇，H因子達51。
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