【科研不断线】物理学院在钙钛矿太阳能电池界面工程上取得突破性进展

2020年9月，我国提出二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标。加快清洁能源开发利用，构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的有效途径，太阳能作为重要的清洁能源，其开发利用始终是学界和业界关注的热点。近日，我校物理学院在钙钛矿太阳能电池（PSCs）界面工程上取得突破性进展，研究成果有助于解决钙钛矿太阳能电池长期工作稳定性差的问题，支持其大规模产业化应用，推动太阳能源进一步开发及高效利用。

经过近十年的快速发展，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）记录已高达25.7%，基本与目前广泛使用的太阳能电池晶硅持平。钙钛矿材料因具有一系列优异的光电特性，如消光系数高、载流子扩散长、带隙可调、缺陷容忍度高等诸多优点，且通过简易低成本的溶液方法即可生长，有望突破现有原理和技术局限，为清洁太阳能源的开发和高效利用提供变革型技术支撑，但长期工作稳定性差的问题严重阻碍了钙钛矿太阳能电池的大规模产业化应用。目前，采用聚合物对钙钛矿活性层进行表面修饰是获得高效稳定钙钛矿太阳能电池的最有效策略之一，然而聚合物钝化剂的分子结构及其与钙钛矿晶体间的相互作用尚未完全阐明，选择合适的聚合物表面钝化剂需要一个非常繁琐的试错过程，因此，如何选择合适的聚合物表面钝化剂一直是个巨大的挑战。

本研究通过选择三种典型聚合物——聚醋酸乙烯酯（PVA）、聚乙二醇（PEG）和聚9-乙烯基咔唑（PVK）进行模拟和实验分析，研究聚合物钝化材料结构对钙钛矿太阳能电池的影响。模拟和实验分析结果表明，聚醋酸乙烯酯(PVA)具有空间位阻小、给电子能力强的官能团，能够有效钝化钙钛矿薄膜表面的带电缺陷并增强载流子扩散能力，最终能够有效钝化钙钛矿薄膜表面的带电缺陷并增强载流子扩散能力，使钙钛矿太阳能电池的效率达到了23.2%，同时钙钛矿太阳能电池的长期工作稳定性也得到了显著提升。

4月30日，相关成果以“Rational selection of the polymeric structure for interface engineering of perovskite solar cells”为题发表在Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule上，该研究给出了合理选择聚合物钝化剂的结构/官能团的指导方针，对未来开发新型高效聚合物钝化剂和钙钛矿太阳能电池商业化具有重要的指导意义。文章的第一作者是物理学院博士后王敏焕，合作导师边继明教授、以及美国加州大学洛杉矶分校YangYang教授，韩国成均馆大学J.W. Lee教授和大连化物所金盛烨研究员为通讯作者。我校物理学院为成果第一完成单位。

本工作得到国家自然科学基金等多个基金项目资助，文章中的原子力显微镜、光致发光光谱数据由大连理工大学分析测试中心蔡蕊老师协助完成。