二茂鐵有機(jī)金屬衍生物同時(shí)具備了有機(jī)材料和無機(jī)材料的優(yōu)異特性，作為功能化界面層可以有效降低反式鈣鈦礦太陽能電池界面中的非輻射復(fù)合，同時(shí)加快電荷傳輸速度，最終實(shí)現(xiàn)反式器件的效率記錄(25%)和優(yōu)異的穩(wěn)定性，本文為設(shè)計(jì)穩(wěn)定高效的鈣鈦礦太陽能電池界面材料提供了新思路。

反式(p-i-n)鈣鈦礦太陽能電池由于具有較長的運(yùn)行穩(wěn)定性備受關(guān)注。但是，與正式(n-i-p)鈣鈦礦太陽能電池相比，反式鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展仍然受制于其較低的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。而且，反式鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性和使用壽命仍無法達(dá)到國際電工委員會(huì)對于商業(yè)化光伏器件的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)(IEC61215:2016)。鈣鈦礦活性層與電荷傳輸層界面間的缺陷和非理想電荷傳輸是制約反式鈣鈦礦太陽能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，因此有效的界面層材料選擇尤為重要。

(i) 本工作通過引入二茂鐵有機(jī)金屬衍生物(ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate(FcTc2))功能化界面層大幅度地提高了反式鈣鈦礦太陽能電池的PCE以及長期穩(wěn)定性。FcTc2中的有機(jī)官能團(tuán)有效地鈍化了鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子引起的缺陷，同時(shí)由于二茂鐵基團(tuán)的富電子及其可離域的特性極大限度地提高了鈣鈦礦界面間的電荷傳輸速度。

(ii) 通過FcTc2界面修飾后的器件，其短路電壓(VOC)以及填充因子(FF)得到了較大的提升，實(shí)驗(yàn)室測試效率達(dá)到了反式鈣鈦礦太陽能電池記錄效率25%(認(rèn)證效率為24.3%)。

(iii) FcTc2界面修飾后的器件展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性，在長期光照運(yùn)行1500小時(shí)后仍維持在初始效率的98%，在濕熱環(huán)境下(85℃/85% RH)的穩(wěn)定性測試通過了IEC61215:2016的國際標(biāo)準(zhǔn)

▲圖1. FcTc2功能化后的鈣鈦礦薄膜表征

要點(diǎn)：(i) 本文采用二茂鐵有機(jī)金屬衍生物FcTc2修飾鈣鈦礦/C60界面。(ii) 通過飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)證明了FcTc2主要分布在鈣鈦礦活性層表面，沒有進(jìn)入晶格，從而不影響鈣鈦礦的結(jié)晶及其光學(xué)特性。(iii) X射線光電子能譜(XPS)證明了FcTc2與鈣鈦礦表面具有較強(qiáng)的相互作用。(iv) 密度泛函理論(DFT)模擬計(jì)算表明FcTc2中的O原子與鈣鈦礦表面上未配位的鉛離子形成牢固的Pb-O鍵，并顯著增強(qiáng)鈣鈦礦和FcTc2之間的靜電吸引力。(v) 鈣鈦礦和FcTc2之間較強(qiáng)的結(jié)合力有利于鈣鈦礦表面的缺陷鈍化和提高鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
▲圖2. 鈣鈦礦薄膜表征

要點(diǎn)：(i) 開爾文探針力顯微鏡(KPFM)顯示，F(xiàn)cTc2處理后的鈣鈦礦薄膜相比于對照組薄膜具有更均勻的表面接觸電位分布，從而更有利于電荷傳輸以及降低非輻射復(fù)合。(ii) 光熱誘導(dǎo)共振譜(PFIR)顯微鏡成像結(jié)果顯示，經(jīng)過FcTc2處理后的鈣鈦礦薄膜中MA+陽離子的強(qiáng)度和分布在老化1000小時(shí)仍然保持良好，而對照組鈣鈦礦薄膜的MA+信號顯著降低和擴(kuò)散。(iii) FcTc2界面層能有效的抑制鈣鈦礦表面的離子遷移和揮發(fā),為良好的器件穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

▲圖3. 器件性能表征

要點(diǎn)：(i) 通過FcTc2界面修飾的反式鈣鈦礦器件的最高PCE達(dá)到了記錄值25% (認(rèn)證效率24.3%)，其中VOC:1.184V (1.179V)，JSC: 25.68 mA cm-2 (25.59 mA cm-2), FF: 82.32% (80.56%)。(ii) 通過FcTc2界面修飾的鈣鈦礦器件的平均效率達(dá)到了24.5%，同時(shí)具有了良好的可重復(fù)性。(iii) 通過FcTc2界面修飾的鈣鈦礦器件的光致發(fā)光效率達(dá)到了7%，由此計(jì)算得出因非輻射復(fù)合導(dǎo)致的能量損失低至68.75 mV, 遠(yuǎn)小于參比器件的108.57 mV,進(jìn)一步證明了FcTc2能有效地抑制鈣鈦礦太陽能電池的非輻射復(fù)合，降低能量損失。

▲圖4. 鈣鈦礦器件穩(wěn)定性測試

要點(diǎn)：(i) 封裝后的FcTc2基鈣鈦礦器件在連續(xù)光照條件1500小時(shí)后仍能保持原始效率的98%。(ii) 本工作還依據(jù)了IEC61215:2016國際標(biāo)準(zhǔn)對鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行了更加嚴(yán)苛的穩(wěn)定測試。在雙85(85℃/85% RH)條件下，F(xiàn)cTc2基鈣鈦礦器件在1000小時(shí)后仍能保持原始效率的95%，符合IEC61215:2016的濕熱環(huán)境穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，F(xiàn)cTc2基鈣鈦礦器件在200次冷熱沖擊(-40℃-85℃)循環(huán)后仍能保持初始效率的85%。
二茂鐵有機(jī)金屬衍生物材料為進(jìn)一步提高反式鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定性提供了新的界面層分子設(shè)計(jì)思路，有助于推動(dòng)了鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進(jìn)程。