隨著全球可再生能源需求的迅速增長，太陽能光伏技術(shù)已成為應(yīng)對能源危機與環(huán)境污染的關(guān)鍵解決方案。其中，鈣鈦礦太陽能電池因其具有高光電轉(zhuǎn)換效率、低材料成本及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，在太陽能光伏領(lǐng)域備受矚目。

反式鈣鈦礦太陽能電池，相較于傳統(tǒng)的正式結(jié)構(gòu)，加工工藝簡單、易于實現(xiàn)相對低溫制備、且耐候性更佳，因此受到學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)化的廣泛關(guān)注。近年來，通過界面工程等策略優(yōu)化，反式鈣鈦礦太陽能電池的效率已突破26%。然而，現(xiàn)有界面自組裝單分子層(SAM)主要通過化學(xué)方式吸附在透明導(dǎo)電層(TCO)表面，當(dāng)器件暴露于高溫或經(jīng)歷熱循環(huán)沖擊時，分子層可能發(fā)生脫附或聚集，導(dǎo)致界面接觸惡化及載流子(空穴)傳輸受阻，最終顯著削弱器件的性能和穩(wěn)定性。

因而，開發(fā)更為穩(wěn)定和高效的空穴選擇性接觸新材料體系對于進一步提升器件的熱穩(wěn)定性，推動其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。

為解決這一問題，西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授團隊劉宇航教授等，設(shè)計了通過共價鍵連接的自組裝雙分子層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的小分子SAM材料體系的基礎(chǔ)上，通過傅-克烷基化反應(yīng)形成了共價鍵連接的聚合物網(wǎng)絡(luò)體系。這類共價連接可以有效“錨定”吸附在透明導(dǎo)電基底上的小分子SAM層，顯著提高其耐高溫以及熱沖擊的穩(wěn)定性。

據(jù)介紹，其上層獨有的面向取向分子排列表現(xiàn)出了與鈣鈦礦材料良好的黏附特性，從而提高了鈣鈦礦/空穴傳輸層的界面機械強度。通過該策略，研究團隊實現(xiàn)了第三方機構(gòu)認證得到器件性能超過26%的光電轉(zhuǎn)化效率，所加工的實驗室級別鈣鈦礦太陽能電池器件通過了國際電工協(xié)會IEC61215:2016和國際有機光伏穩(wěn)定性協(xié)會(ISOS)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)過2000個小時濕熱穩(wěn)定性測試，基于自組裝雙分子層的冠軍器件僅衰減原始效率的4%;同時經(jīng)過1200個-40oC到85oC熱循環(huán)穩(wěn)定性測試，其相比原始效率僅衰減3%。

圖a，自組裝雙分子層的結(jié)構(gòu)示意圖;圖b，基于自組裝雙分子層的器件照片

該研究成果以“耐熱應(yīng)力穩(wěn)定的自組裝雙分子層鈣鈦礦太陽能電池”為題發(fā)表在國際能源領(lǐng)域頂級期刊《自然能源》上，西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授、劉宇航教授、瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)Michael Graetzel教授、華中科技大學(xué)李雄教授、尤帥博士為共同通訊作者。西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室為第一通訊單位。