這是繼公司核心創(chuàng)始人陳煒教授于2015年以第一作者發(fā)表了反式鈣鈦礦太陽能電池國際首篇Science論文、并獲得國際上首個收錄進(jìn)表的1cm2鈣鈦礦太陽能電池效率記錄之后，時隔9年，再次將反式鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證效率推向國際最高，并以最后通訊作者發(fā)表Nature論文。論文得到了兩位鈣鈦礦太陽能電池創(chuàng)始人韓國成均館大學(xué)Nam-Gyu Park教授（論文共同通訊作者）和牛津大學(xué)的Henry Snaith教授（論文共同作者）的一致認(rèn)可和共同署名。

        反式（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cells, PSCs）因其兼顧高效率和穩(wěn)定性、易于量產(chǎn)和疊層等優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前PSCs這一新興光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主流技術(shù)路線。但在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，正式（n-i-p）結(jié)構(gòu)的PSCs的認(rèn)證效率此前一直處于相對領(lǐng)先的位置，早期研究正式結(jié)構(gòu)電池的學(xué)者更多。一直到2023年，得益于自組裝單分子（Self‐assembled monolayers, SAMs）空穴選擇層（hole selective layers, HSLs）和缺陷鈍化策略的發(fā)展，反式PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率才超過正式PSCs。然而，常用的SAMs，如[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz），其本征導(dǎo)電性并不理想，器件效率對SAM分子的薄膜厚度極為敏感。這種分子在基底上的自組裝狀態(tài)不受控制、分子尺度上的分布不均會造成界面電荷傳輸損失，并且Me-4PACz對鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的表面浸潤性差，造成大量埋底界面微小孔洞和結(jié)晶不理想，從而導(dǎo)致大量埋底界面缺陷引發(fā)嚴(yán)重的界面復(fù)合，是限制反式PSCs效率進(jìn)一步取得突破的重要原因。這些缺點(diǎn)，尤其是在制造大面積器件時將進(jìn)一步放大。

         針對上述問題，陳煒團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出一種埋底界面自組裝單分子雜化（hybrid）策略，即在高性能自組裝單分子Me-4PACz前驅(qū)液中引入同樣具有大π共軛基團(tuán)且含有對稱多羧基的三苯胺單體（4,4’,4’’-硝基三苯甲酸（NA））的共吸附劑。通過對比TA.、BA等共吸附劑，發(fā)現(xiàn)NA作為共吸附劑，其分子結(jié)構(gòu)更有利于增強(qiáng)與Me-4PACz間強(qiáng)π-π相互作用，能更好的減少M(fèi)e-4PACz超薄膜在沉積過程中的自聚集效應(yīng)，誘導(dǎo)Me-4PACz分子在2nm尺度上更加均勻的分布（圖1），從而提高了鈣鈦礦薄膜埋底界面處光生載流子的抽取效率。另外，分子動力學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果顯示，Me-4PACz平趴式的分布在氧化鎳/鈣鈦礦界面處，其膦酸基團(tuán)和π環(huán)均可以與氧化鎳基底作用，且Me-4PACz的π環(huán)能夠鈍化Vpb2+深能級陷阱，而共吸附劑多羧基單體NA的存在使得鈣鈦礦溶液在Me-4PACz上的潤濕性得到了有效改善，消除了埋底界面處的納米孔洞并釋放了鈣鈦礦薄膜壓縮應(yīng)力，增強(qiáng)了鈣鈦礦埋底界面結(jié)晶性（圖2），分子雜化策略最大限度的降低了埋底界面的缺陷濃度、減少了界面非輻射復(fù)合損失。

圖1. 基于第一性原理計(jì)算的不同hybrid HSLs界面自組裝狀態(tài)

NA誘導(dǎo)Me-4PACz實(shí)現(xiàn)最佳自組裝成膜

圖2. 不同hybrid HSLs埋底界面處鈣鈦礦微孔形貌和結(jié)晶質(zhì)量差異

     綜上，自組裝單分子雜化空穴傳輸材料具有超浸潤、納米尺度均勻分布、載流子抽取速度快和非輻射復(fù)合低等優(yōu)點(diǎn)，能夠同時實(shí)現(xiàn)埋底界面載流子高效輸運(yùn)和缺陷鈍化，大幅提升器件性能?；趽駜?yōu)帶隙FA0.95Cs0.05PbI3鈣鈦礦的反式PSCs在權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)（國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心NPVM）的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率高達(dá)26.54%（圖3），超過此前同機(jī)構(gòu)認(rèn)證的進(jìn)表效率紀(jì)錄（26.1%，NPVM）。此外，該新型雜化自組裝單分子材料良好的浸潤性十分有利于制備大面積器件，在孔徑面積為11.1cm2的微型模組中實(shí)現(xiàn)了22.74%的認(rèn)證效率，為反式微型模組國際同期最高認(rèn)證效率，證明了埋底界面自組裝分子雜化策略的可拓展性及其在大面積鈣鈦礦組件中的巨大應(yīng)用前景。共吸附的多羧基單體增強(qiáng)了埋底界面處鈣鈦礦與NiO的鍵合連接，除效率提升外，也同步改善了器件的穩(wěn)定性。目前上述研究成果已申請中國發(fā)明專利。

圖3. 反式PSCs穩(wěn)態(tài)化權(quán)威認(rèn)證效率超前記錄

這次突破是陳煒教授在反式鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)路線長期堅(jiān)守、耕耘取得的系列最新成果之一。陳煒教授，是反式鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)路線的重要開拓者、持續(xù)創(chuàng)新者和產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐者，特別聚焦于突破反式鈣鈦礦太陽能電池效率極限，大面積可控制備和穩(wěn)定性瓶頸方向（圖4）。相關(guān)研究兼具重要的學(xué)術(shù)價值和實(shí)用價值，面向國家“雙碳政策”對新型光伏技術(shù)的重大需求，具有鮮明的需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向特征。繼臺灣成功大學(xué)的Peter Chen等人最早于2013年率先發(fā)表反式鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)原型后，陳煒于2015年以第一作者發(fā)表了反式鈣鈦礦太陽能電池國際首篇Science論文（Science, 2015, 350, 944），并獲得國際上首個收錄進(jìn)表的1cm2鈣鈦礦太陽能電池效率記錄（Martin Green et al., Solar Cell Efficiency Tables, Version 46）（圖5）。此次時隔9年，陳煒教授通過一系列的改進(jìn)和努力（圖6），再次將反式鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證效率推向國際最高，并以最后通訊作者發(fā)表Nature論文。截止目前，陳煒團(tuán)隊(duì)獲得的反式鈣鈦礦小型模組NPVM權(quán)威認(rèn)證效率達(dá)到23.4%（孔徑面積11.1cm2），鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層太陽能電池認(rèn)證效率達(dá)到了29.8%，均處于國際領(lǐng)先水平。此外，團(tuán)隊(duì)還獲得了德國VDE頒發(fā)的鈣鈦礦太陽能模組穩(wěn)定性第三方認(rèn)證報(bào)告，滿足IEC61215和ISOS測試標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)方面也取得了顯著進(jìn)展。

圖4. 面向應(yīng)用的反式PSCs全體系全要素研究

圖5. 反式PSCs國際首篇Science/首個進(jìn)表效率記錄

圖6. 基于創(chuàng)始人多年堅(jiān)持，反式PSCs的認(rèn)證效率逐步追上了正式結(jié)構(gòu)電池

在完成一系列技術(shù)準(zhǔn)備以后，陳煒作為首席科學(xué)家，在武漢光谷發(fā)起成立武漢九曜光電科技有限公司，公司在采取反式結(jié)構(gòu)技術(shù)路線的同時，在器件的每個關(guān)鍵膜層都有自己獨(dú)特的技術(shù)配方和工藝方案，在效率、成本、穩(wěn)定性方面的集成優(yōu)勢會比一般的反式路線更加顯著。目前公司已完成數(shù)千萬天使輪融資，年內(nèi)將建設(shè)完成MW級中試線，進(jìn)行60×60cm2尺寸高性能反式鈣鈦礦組件的小批量生產(chǎn)，并努力在1年內(nèi)在細(xì)分領(lǐng)域的特定場景下實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池產(chǎn)品的市場化出貨。

九曜光電自主研發(fā)的多通道太陽能電池與組件穩(wěn)定性測試系統(tǒng)，助力行業(yè)解決穩(wěn)定性痛點(diǎn)問題，可應(yīng)用于鈣鈦礦小面積電池和大面積組件的高通量穩(wěn)定性測試，完全滿足ISOS各級別室內(nèi)加速老化測試標(biāo)準(zhǔn)，并且可同時進(jìn)行室內(nèi)加速和戶外跟蹤發(fā)電測試（圖7）。九曜光電的上述產(chǎn)品，有利于推動對影響鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵材料和工藝進(jìn)行快速迭代和優(yōu)化。自公司創(chuàng)立以來，產(chǎn)品已服務(wù)于鈣鈦礦領(lǐng)域近百家企事業(yè)科研單位，北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院多個研究所，多位千人計(jì)劃專家，杰青等知名專家團(tuán)隊(duì)都是我們的重要客戶；華能集團(tuán)、寧德時代、旗濱集團(tuán)等大型上市新能源公司都是我們的服務(wù)對象。在我們的產(chǎn)品助力下，多個項(xiàng)目組在Nature、Science等國際頂級期刊發(fā)表了鈣鈦礦電池穩(wěn)定性突破性成果。

圖7. 兼顧小電池、大組件，兼顧室內(nèi)加速和室外發(fā)電的多通路鈣鈦礦穩(wěn)定性測試系統(tǒng)

九曜光電將于近期推出對外開放的穩(wěn)定性公共測試平臺，協(xié)助學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界以可負(fù)擔(dān)的測試成本獲得公開公正的鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)，助力行業(yè)領(lǐng)域在關(guān)鍵穩(wěn)定性指標(biāo)上取得快速突破。

九曜光電本著“品質(zhì)卓越 服務(wù)至誠”的公司理念，為鈣鈦礦產(chǎn)學(xué)研領(lǐng)域提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，為早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰/碳中和的宏偉目標(biāo)貢獻(xiàn)一份力量！

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07723-3