暨大郭飞CEJ新成果：天然色素层提升叠层电池，FF 81%、Voc 1.32V

主要内容

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）作为一种极具潜力的新型太阳能电池技术，因其具有高光电转换效率、低成本和易于制备等优点，近年来受到了全球科研人员的广泛关注，在推动可再生能源发展方面具有重要意义。然而，要进一步提升其性能和稳定性，阴极界面层（Cathode Interfacial Layer，CIL）的优化起着关键作用。

为探寻低成本、环保且高效的阴极界面材料（Cathode Interfacial Materials，CIMs），由查尔姆斯理工大学Ergang Wang教授、暨南大学新能源技术研究院郭飞研究员，以及贵州大学张斌教授与吕梦岚教授强强联合带领的科研团队展开深入研究。他们创新性地选用一种天然色素——紫胶色素（laccaic acid，LA）作为阴极界面层材料，致力于构建高性能钙钛矿太阳能电池。这里涉及的功函数是指材料表面电子逸出所需的最小能量，欧姆接触则是指具有线性电流 - 电压特性的接触，能保证电流顺畅通过，降低能量损耗。

研究团队发现，当引入LA阴极界面层后，LA分子与银阴极表面发生相互作用，改变了银表面的电子分布状态，使得银阴极的功函数显著降低。功函数的降低就如同降低了电子从银阴极逸出的“门槛”，从而形成了更为理想的界面欧姆接触。这种改变有效促进了电子从钙钛矿层向银阴极的传输，大幅抑制了电荷在界面处的复合和能量损失。

基于上述作用，在1.77 eV宽带隙钙钛矿太阳能电池（Wide Bandgap Perovskite Solar Cells，WBG PSCs）中，其光伏性能得到显著提升。该电池的开路电压（Open-Circuit Voltage，Voc）高达1.32 V，填充因子（Fill Factor，FF）达81%，光电转换效率更是达到了18.48%。与同类型未引入LA阴极界面层的电池相比，光电转换效率有了明显提高，这表明LA阴极界面层对提升电池性能具有显著效果。

值得一提的是，LA的应用潜力不止于此。在钙钛矿/有机叠层太阳能电池（Tandem Organic-Perovskite Solar Cells，TOPSCs）中，LA可作为互联层（Interconnect Layer，ICL）发挥重要作用。在这类电池里，LA的引入使得光电转换效率高达23.51%，开路电压达2.15 V。目前，在已报道的钙钛矿/有机叠层太阳能电池研究中，这一开路电压值处于领先水平，充分体现了LA在该领域的优势。

研究团队的研究表明，这种天然色素（紫胶色素，LA）可作为宽带隙钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/有机叠层太阳能电池的高效阴极界面层材料。LA阴极界面层的引入，不仅使银阴极的功函数显著降低，形成了可匹配的界面欧姆接触，促进了电子传输，还能有效减缓界面复合和能量损失，协同提升钙钛矿太阳能电池的开路电压和填充因子。LA在宽带隙钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/有机叠层太阳能电池中作为阴极界面层均表现出优异的适用性：宽带隙钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达18.48%，开路电压高达1.32 V，填充因子达81%；钙钛矿/有机叠层太阳能电池的光电转换效率高达23.51%，开路电压为2.15 V。这些高开路电压、高填充因子和高光电转换效率值在基于1.77 eV带隙的宽带隙钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/有机叠层太阳能电池中均处于领先地位。此外，LA阴极界面层的引入还显著提升了这两类电池的器件稳定性，经过长时间的测试，电池性能衰减明显低于未引入LA的电池。

因此，本研究具有重大的创新性和实际应用价值。它不仅为开发低成本、环保的高效阴极界面层材料提供了新的思路，而且有望推动钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/有机叠层太阳能电池向高性能、稳定化和商业化方向发展，对实现绿色、可持续的光伏技术具有重要意义。

文献信息

Synergistically improving open-circuit voltage and fill factor via utilizing a natural pigment as efficient interconnect layer for high-performance perovskite-organic tandem solar cells

Bin Zhang ，Yunqiang Du , Xinling Li , Aiqin Li , Menglan Lv , Weile Guo , Fei Guo , Ergang Wang

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725080805