武漢大學，今日Nature！

一、【導讀】

過去十年中，有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料（ABX₃）已成為光伏技術中吸光材料有前途的選擇。為了實現單結太陽能電池的窄帶隙（NBG），以及全鈣鈦礦串聯的子電池，在 1.1~1.4 eV的范圍內，鉛（Pb）和錫（Sn）可以在B位金屬離子中合金化。然而，由于Sn的易氧化性，制備高效穩定的NBG錫鉛（Sn-Pb）鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）仍然是一個巨大的挑戰，導致p型自摻雜、載流子壽命短和器件性能下降。為了解決這個問題，研究者已經提出了各種策略，包括在器件制造過程中使用多種添加劑，以提高混合Sn-Pb PSC的性能，通過優化NBG混合Sn-Pb亞電池和寬帶隙（WBG）子電池，實現了全鈣鈦礦串聯電池的創紀錄性能。然而，單結Sn-Pb PSC的性能仍有很大提高的空間，這最終決定了全鈣鈦礦串聯的上限。

二、【成果掠影】

在此，武漢大學方國家教授和柯維俊教授等人（共同通訊作者）聚焦窄禁帶亞電池，并為它們開發了一種多合一的摻雜策略。具體來說，作者將天冬氨酸（AspCl）引入底部聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸酯）和塊狀鈣鈦礦層，然后進行AspCl后處理。結果表明，單一的AspCl添加劑可以有效地鈍化缺陷，降低Sn⁴⁺雜質和費米能級的偏移。此外，AspCl-Sn/Pb碘化物和AspCl-AspCl的強分子鍵可以增強Sn-Pb鈣鈦礦的結構，從而提高其穩定性。最終，在Sn-Pb鈣鈦礦太陽能電池中AspCl摻雜后，單結電池的功率轉換效率為22.46%，串聯電池的功率轉換效率為27.84%（27.62%穩定，27.34%認證），在裝滿氮氣手套箱儲存2000小時后保持率為95%。這些結果表明，多合一AspCl摻雜是提高單結Sn-Pb鈣鈦礦太陽能電池及其串聯器件效率和穩定性的有利策略。

相關研究成果以“Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.單一的AspCl添加劑可以有效地鈍化缺陷，降低Sn⁴⁺雜質和費米能級的偏移。同時，AspCl-Sn/Pb碘化物和AspCl-AspCl的強分子鍵可以增強Sn-Pb鈣鈦礦的結構，從而提高其穩定性。

2.在Sn-Pb鈣鈦礦太陽能電池中AspCl摻雜后，單結電池的功率轉換效率為22.46%，串聯電池的功率轉換效率為27.84%（27.62%穩定，27.34%認證），在裝滿氮氣手套箱儲存2000小時后保持率為95%。

四、【數據概覽】

圖1 NBG Sn-Pb鈣鈦礦中AspCl的制備及機理? 2023 Springer Nature

圖2 NBG Sn-Pb鈣鈦礦薄膜的表征? 2023 Springer Nature

圖3 單結NBG Sn-Pb PSC的性能? 2023 Springer Nature

圖4 2T全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文開發了一種Sn-Pb PSCs的多合一摻雜方法，將手性天冬氨酸（AspCl）分子摻入底部聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸酯）PEDOT：PSS（PEDOT）、中間鈣鈦礦吸光層（Bulk）和頂部封蓋層（POST）中。Cl^-陰離子抑制碘空位的形成，氨基與I^-配位減少陷阱狀態并抑制碘離子遷移，羧基與Pb、Sn離子配位，抑制鈣鈦礦分解。此外，在鈣鈦礦薄膜和鈣鈦礦/底孔傳輸層（HTL）和鈣鈦礦/頂蓋層的界面中，兩個AspCl分子中的氨基和羧基可以通過分子間氫鍵相互結合。因此，這種AspCl摻雜策略為鈣鈦礦創造了一個內部分子鎖，可以有效地鈍化表面缺陷，提高器件穩定性。

文獻鏈接：“Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06707-z）

本文由材料人CYM編譯供稿。