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摘要
全钙钛矿串联太阳能电池(TSC) 效率面临着宽带隙(WBG) 子电池中开路电压(VOC) 损失显著的挑战。因此，新加坡国立大学侯毅&嘉兴大学尹新星团队采用溴取代策略开发了一种新型自组装单层 (4-(3,11-二溴-7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)丁基)膦酸 (DCB-Br-2)，作为 1.79 eV WBG 钙钛矿太阳能电池的空穴传输层，相关成果发表于Energy & Environmental Science期刊。DCB-Br-2中的溴将一对非键合电子捐献给未配位的 Pb2+ 离子或卤化物空位，增强了与钙钛矿层的相互作用并抑制了界面非辐射复合。DCB-Br-2 还可以调整能级排列，促进快速空穴提取。优化后的WBG 太阳能电池的最大Voc为 1.37 V，超过了 Shockley-Queisser 极限的90%。结合 1.25 eV 窄带隙子电池，这实现了双端全钙钛矿TSC，其功率转换效率高达27.70%
DCB-Br-2作为用于1.79-eV宽带隙钙钛矿太阳能电池的自组装单层（SAM）材料。其分子结构基于特定的终端基团 DCB，在 3,11 位置引入了溴（Br）取代基。与其他类似 SAM 材料（如 DCB - C4POH 和 DCB - Br - 1）相比，它具有独特的性能优势。
SAMs 的性质
AFM显示ITO/SAMs的均方根粗糙度按DCB-C4POH（1.9 nm）、DCB-Br-1（1nm）、DCB-Br-2（0.5nm）顺序降低，DCB-Br-2的HTL涂层最均匀。
UV-vis 透射光谱表明 DCB-Br-2 在可见光区的透射率略高于其他两种，可能有助于提高短路电流（Jsc）。
SAMs 与钙钛矿的相互作用
XPS 结果显示，DCB-Br-2与钙钛矿中未配位的 Pb²⁺离子或卤化物空位的相互作用最强，能有效钝化缺陷，抑制非辐射复合，这归因于其较高的电子密度和较小的空间位阻。
基于DCB-Br-2的钙钛矿薄膜晶粒尺寸较大、无针孔，且PL强度和均匀性更高，进一步证明其对钙钛矿质量的提升作用。
能级排列分析
高斯计算和 UPS 测量表明，DCB-Br-2的最高占据分子轨道（HOMO）能级最低，为-5.45 eV，其与钙钛矿的价带偏移最小（0.05 eV），能促进空穴从钙钛矿层向 HTL 快速提取。
KPFM 和 TRPL 结果也证实 DCB - Br - 2 具有更好的能级排列和更快的空穴提取速度，且能有效抑制界面非辐射复合。
宽带隙 PSCs 的性能及 Voc 损失分析
DCB - Br - 2 基器件性能最佳，反向扫描时 Voc 达 1.37 V，功率转换效率（PCE）为 20.76%，填充因子（FF）为 83.53%，Jsc 为 18.12 mA/cm²，且迟滞可忽略，其 Voc 是目前报道的 1.76 - 1.80 eV 宽带隙 PSCs 中的较高值，超过 S - Q 极限的 90%，Voc 损失仅 0.42 V。
通过稳态 PL、PLQY、SCLC 等分析表明，DCB - Br - 2 能降低缺陷态密度，抑制非辐射复合，从而提高 Voc 和 FF，降低 Urbach 能，减少电子无序性。
全钙钛矿 TSCs 的性能
将优化的 WBG 顶电池与 1.25 - eV NBG 底电池集成，其中 NBG 子电池经 EDAI 后处理性能提升。
DCB - Br - 2 基 TSC 表现突出，反向扫描时冠军效率达 27.70%（Voc = 2.11 V，FF = 79.81%，Jsc = 16.49 mA/cm²），且具有良好的稳定性，在连续 1 - sun 光照 440 小时后仍保持初始 PCE 的 80%。
论文标题：《Surpassing 90% Shockley - Queisser Voc Limit in 1.79 eV Wide - Bandgap Perovskite Solar Cells Using Bromine - Substituted Self - Assembled Monolayers》
发表期刊：《Energy & Environmental Science》
发表时间：2025年1月8日
作者：Z. Wei, Q. Zhou, X. Niu, S. Liu, Z. Dong, H. Liang, J. Chen, Z. Shi, X. Wang, Z. Jia, X. Guo, R. Guo, X. Meng, Y. Wang, N. Li, Z. Xu, Z. Li, A. G. Aberle, X. Yin and Y. Hou
查看原文（点击底部阅读原文跳转）：
https://doi.org/10.1039/D4EE04029E
