钙钛矿叠层太阳能电池研究成果

张明 2025-08-28

钙钛矿叠层太阳能电池（TSCs）作为一种有前景的解决方案，通过有效利用更广泛的太阳光谱，突破了单结太阳能电池的效率限制。这种电池配置大大提高了光伏（PV）系统的能量输出，大幅提高了能量转换效率。在这些串联架构中，带隙（Eg）处于约1.68至1.80eV的宽带隙（WBG）钙钛矿材料，通常用作顶部吸收层，因为它们能够有效地捕获高能光子。然而，大多数WBG钙钛矿太阳能电池（PSCs）面临的一个关键瓶颈在于大量的开路电压（VOC）不足，这严重阻碍了TSCs达到其理论效率极限。

研究成果

近日，郑州大学张懿强、李鹏伟&中国科学院化学研究所宋延林提出了一种异质界面锚定策略，通过在钙钛矿和空穴传输层之间加入硅烷偶联剂来增强界面性能。三甲氧基硅烷（TMOS）是一种两亲性分子，通过增强化学相互作用来增强界面粘附，从而促进有效的空穴提取。此外，TMOS分子的末端官能团与铅离子相互作用，调节钙钛矿薄膜结晶并提高其整体质量。经TMOS处理器件的非辐射复合显著减少，VOC大幅提升。值得注意的是，3-氰基丙基三甲氧基硅烷（CN-TMOS）优化了钙钛矿薄膜的均匀性和界面接触，实现了1.345V的VOC和19.69%的功率转换效率（PCE）。相对带隙而言，其VOC损失仅0.425V，为宽带隙钙钛矿单结太阳能电池迄今最低值之一。将这一策略拓展至所有钙钛矿TSCs，实现了28.45%的PCE和出色的操作稳定性，在1个太阳光照下连续运行500h后，保持了90%以上的初始效率。

相关研究工作以“Buried interface anchoring with silane coupling agents for low voltage loss and high-efficiency wide-bandgap perovskite solar cells”为题发表在Science Bulletin期刊（IF=21.1）上。向他们表示祝贺！e测试作为科研检测行业的佼佼者，为本研究提供了多项关键科研服务支持。

图1. 硅烷偶联剂分子的锚定和相互作用

图2. 阐明钙钛矿薄膜结晶机制

图3. 钙钛矿薄膜的电荷输运特性

图4. 单结宽带隙PSCs

图5. 全钙钛矿TSCs性能

结论与展望

总之，这项研究成功地引入了TMOS分子来锚定WBG钙钛矿和HTL之间的埋入界面。研究结果表明，CN-TMOS作为一种两亲性分子，显著增强了钙钛矿层和HTL之间的界面结合，从而提高了空穴提取效率。此外，分子尾部的CN官能团不仅促进了与钙钛矿的强相互作用，还有效调节了钙钛矿薄膜的结晶动力学，促进了薄膜均匀性并抑制非辐射复合。

基于CN-TMOS的WBG钙钛矿太阳能电池（PSCs）实现了1.345V的创纪录的VOC和19.69%的最高PCE。此外，使用这些高性能WBG-PSCs制造的全钙钛矿TSCs达到了28.45%的卓越效率，并在连续运行500h后保持了90%的初始效率，展现出优异的长期稳定性。这一出色性能归功于CN-TMOS处理所赋予的优异界面特性。这项研究结果强调了基于TMOS的界面工程在推进钙钛矿光伏发展中的变革潜力。这种方法不仅提高了器件性能，更增强了长期运行稳定性，对钙钛矿太阳能技术的实际应用至关重要。这项工作为未来高效、稳定的太阳能收集技术的进步奠定了坚实的基础。

内容来源：材料PLUS

责任编辑：展源

审　　核：何发

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