【儀表網 研發快訊】在全球能源轉型的關鍵時期，鈣鈦礦太陽能電池以其26.7%的認證效率成為最具潛力的新一代光伏技術，然而，其產業化進程受困于模組器件效率低，壽命短的瓶頸。n-i-p結構的太陽能電池中，SnO2是常用的電子傳輸層(ETL)材料，但其存在多種缺陷，如氧空位、懸掛羥基和未配位的Sn4+等，對載流子傳輸產生負面影響。SnO2層缺陷還會誘導鈣鈦礦薄膜缺陷形成，進而影響其薄膜結晶形態和器件耐老化性能。SnO2/鈣鈦礦界面的缺陷問題在大面積制備時會被進一步放大。如何“縫合”這一關鍵界面，是近年來大面積模組器件制備急于攻克的難點。
針對這一問題，西安交通大學化學學院王棟東教授聯合電子科學與工程學院董化、吳朝新教授以及香港城市大學任廣禹(Alex K.-Y. Jen)院士，提出雙向化學鍵合“縫合”策略增強SnO2/鈣鈦礦埋底界面穩定性的思路，發現天然L-瓜氨酸分子(CIT)分子中氨酸基團(-COOH、-NH?)和脲基基團(-NH-CO-NH?)，對SnO2和鈣鈦礦層具有差異化相互作用，利用這一特征，將L-瓜氨酸引入SnO2電子傳輸層中，成功在SnO2和鈣鈦礦間構建了一層穩固的“分子橋”。氨酸基團端(-COOH、-NH2)通過強配位作用錨定SnO2，鈍化氧空位缺陷，提升了導電率和電子遷移率，優化能級排列；脲基基團(-NH-CO-NH2)端通過弱配位鍵和氫鍵鈍化鈣鈦礦中的Pb2+和I-缺陷，抑制非光學活性δ相和過量PbI2生成。
這種“雙向化學鍵分子橋"機制使活性面積為0.07065 cm²的小面積器件實現了25.95%的高效率。未封裝器件在常溫常濕環境中1000小時后保持初始效率94.85%。同時，在連續光照800小時后，仍保持90.47%的初始性能。在空氣環境下采用無反溶劑狹縫涂布技術，制備出23.26cm2的微型組件(8子電池串聯)，效率可達22.70%，為當前報道的狹縫涂布工藝最高值之一。
上述研究成果近期以《L-瓜氨酸作為分子橋調節鈣鈦礦太陽能電池埋底界面以實現高效率和優異穩定性》(Employment of L-Citrulline as an Effective Molecular Bridge for Regulating the Buried Interface of Perovskite Solar Cells to Achieve High Efficiency and Good Stability)為題發表在國際化學領域權威期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上，西安交通大學化學學院為第一通訊單位。化學學院博士生郝超博和電子科學與工程學院博士生許若堯為本文共同第一作者，王棟東、董化、吳朝新教授和任廣禹(Alex K.-Y. Jen)院士為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金(62375218, 62275213)及陜西省重點研發計劃(2023-YBGY-301)的資助，論文的計算及測試表征得到了西安交通大學分析測試共享中心以及合肥先進計算中心和西安計算中心提供的支持。
王棟東，西安交通大學化學學院教授，博士生導師，主要從事有機發光材料、OLED器件物理和鈣鈦礦太陽能電池方面的研究工作。
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