南開張曉丹AFM：寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池界面工程可擴展難題如何攻克？平行取向刮刀涂布分子來“破局”！

發表時間：2025-06-11 14:00

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主要內容

南開大學張曉丹教授、趙穎教授帶領其團隊在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）領域取得重要突破。在鈣鈦礦太陽能電池的研究中，雖然利用有機分子進行界面工程能夠有效提升電池的光電轉換效率（PCE），但傳統的旋涂法在制備大面積鈍化層時，面臨著厚度均勻性難以保證的難題，這極大地限制了鈣鈦礦太陽能電池向大規模商業化應用的發展。

針對這一問題，該團隊創新性地將三種具有優先平行取向的多功能有機分子——N - 苯基硫脲（PTU）、1 - 芐基硫脲（BTU）和 2 - 苯乙基硫脲（PTTU），通過刮刀涂布法應用于寬帶隙（1.68 eV）鈣鈦礦薄膜表面，以此實現對表面缺陷的有效調控。

團隊通過密度泛函理論（DFT）計算與實驗研究相結合的方式，深入探究了分子特性與器件性能之間的關系。研究發現，延長有機分子的烷基鏈長度能夠顯著增強分子在鈣鈦礦薄膜表面的平行取向。這種增強的平行取向有利于界面處的縱向電荷提取，進而提高電池的電荷傳輸效率，同時還能改善薄膜的厚度均勻性。

在所研究的三種分子中，具有**烷基鏈長度的 BTU 分子展現出了*為優異的協同改性效果。基于這一發現，團隊制備的鈣鈦礦太陽能電池在 0.08875 cm2和 1.0 cm2的有效面積下，分別取得了 22.12%和 20.19%的**光電轉換效率。這一成績在刮刀涂布制備的 p - i - n 型 PSCs（帶隙 Eg ≈ 1.68 eV）中處于領先水平，充分證明了該策略在提升電池性能方面的有效性。

此外，經 BTU 處理的 PSCs 在未封裝的情況下，經過 1600 小時的穩定性測試后，仍能保持初始 PCE 的 95%以上，展現出優異的長期穩定性。團隊還通過刮刀涂布工藝成功制備了 10 × 10 cm2的大面積薄膜，且相應小面積器件性能穩定，這進一步凸顯了該設計在大規模生產中的可擴展性。

本研究不僅加深了團隊對分子結構、取向與器件性能之間內在聯系的理解，還為設計多功能有機分子以提高薄膜均勻性和電荷傳輸性能提供了一種綜合策略。這一策略為高性能和大面積鈣鈦礦太陽能電池的開發開辟了新的途徑，對于推動單結鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池邁向商業化應用具有重大意義。