上海交大赵一新教授团队在Nature Photonics发文提出分子调控二维钙钛矿p-n类型转变并实现高效稳定钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池

近日，《Nature Photonics》在线发表了上海交通大学赵一新教授团队题为“Modulating p-n transition of two-dimensional perovskites for efficient and stable perovskite/Si tandem photovoltaics”的研究论文。该研究提出了一种基于分子设计的二维钙钛矿导电特性调控策略，解决了倾向于本征p型的二维钙钛矿向n型调控的领域难题，突破了传统二维/三维异质结在p-i-n结构宽带隙钙钛矿太阳能电池中界面能级匹配受限的关键瓶颈，为高效率、高稳定性的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池提供了新的设计思路。

二维/三维钙钛矿异质结已成为提升钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的重要策略，在缺陷钝化、抑制离子迁移以及缓解宽带隙钙钛矿中的光致相分离等方面发挥着重要作用，已广泛应用于各类钙钛矿叠层太阳能电池中。然而，大多数已报道的二维钙钛矿具有p型特性，在p-i-n型结构的器件中难以与n型电子传输层形成理想的能级匹配，成为限制二维/三维钙钛矿异质结在宽带隙钙钛矿器件应用的重要因素。因此，实现二维钙钛矿导电类型的精准调控，将其构建与三维宽带隙钙钛矿更加匹配的异质结界面，是发展新一代高性能钙钛矿太阳能电池的重要科学问题。针对这一问题，赵一新教授团队设计了调控有机阳离子的分子偶极矩的策略来改变二维Ruddlesden–Popper钙钛矿内部的碘空位等本征缺陷的形成与分布，诱导费米能级位置发生移动，从而实现二维钙钛矿由p型向n型导电特性的可控调节。进一步利用表现出最优n型特征的二维钙钛矿，构筑与宽带隙三维钙钛矿匹配的二维/三维异质结界面。

图 1. 分子偶极矩调控二维钙钛矿导电类型转变的作用机制示意图

优化后的二维/三维异质结不仅能够有效钝化缺陷，还形成有利于载流子传输的界面能带排列，显著抑制界面非辐射复合损失。与此同时，该异质结有效缓解了宽带隙钙钛矿中的光致相分离问题，进而提升了器件的光电转换效率和运行稳定性。基于该策略，1.68 eV宽带隙p-i-n型钙钛矿太阳能电池的开路电压由1.16 V提升至1.26 V，器件效率由20.19%提高至23.40%。与晶硅异质结太阳能电池集成后，单片两端子钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池实现了33.64%的认证光电转换效率，并在最大功率点连续跟踪运行1100小时后仍保持92%的初始效率，展现出优异的长期运行稳定性。该研究从分子层面实现了二维钙钛矿p-n类型的可控调节，建立“分子设计—导电特性调控—界面能带优化”的新策略，对钙钛矿材料设计及钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的发展提供新的理论基础和技术支持。

图 2. 钙钛矿/晶硅叠层电池的光伏性能

上海交通大学环境科学与工程学院博士生郭嘉豪、溥渊未来技术学院未来光伏研究中心博士后张泽瑜、正泰新能贾镇博士为该论文的共同第一作者。上海交通大学溥渊未来技术学院未来光伏研究中心李博伟助理研究员和王衍明副教授、正泰新能研发总监李子佳博士、上海交通大学赵一新教授为共同通讯作者，上海交通大学为第一单位。该研究得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海交通大学“交大2030”计划等项目的资助。

作者： 环境科学与工程学院 供稿单位： 环境科学与工程学院