钙钛矿新突破：高效稳定太阳能电池！

【研究背景】

钙钛矿材料因其优异的光电特性和在光伏领域的广泛应用而受到广泛关注。近年来，钙钛矿太阳能电池（PSC）的功率转换效率迅速提高，已经超过了26.1%，使其成为研究的热点。然而，传统的n–i–p型PSC在稳定性和与串联太阳能电池架构的整合性方面存在一定的局限性。与之相比，p–i–n型PSC展现出了更好的稳定性和集成潜力，但却面临着能级失配、光生载流子的传输不平衡以及钙钛矿薄膜中缺陷问题等挑战。

因此，许多科学家致力于寻找解决这些问题的新方法。为此，沙特阿卜杜拉国王科技大学Hongwei Zhu, Bingyao Shao, Osman M. Bakryiji 纽卡斯尔大学Zhongjin Shen；美国国家可再生能源实验室Shuai You，Kai Zhu等携手引入了三(2,4,6-三甲基-3-(吡啶-3-基)苯基)硼烷（3TPYMB），作为一种n型材料，通过溶剂辅助注入策略实现了钙钛矿的p型到n型的原位转变，同时调整了钙钛矿/C60界面的能级。研究结果表明，加入3TPYMB后，不仅提升了器件的反向扫描效率，最高可达25.76%，而且未封装的器件在1800小时的连续操作下仍保持97.8%的初始效率。这些成果为钙钛矿材料的能态调制提供了新的思路，为进一步提升p–i–n型器件的效率铺平了道路。

【表征解读】

本文通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等多种先进表征手段，发现了新型二维材料的晶体结构与形貌特征，从而揭示了其优异的光电性能。利用XRD技术，作者确认了该材料的单晶特性及其各向异性，结合SEM观察到的表面形貌，显示出材料均匀的分布及微观缺陷的存在。这些表征结果为理解材料的物理性能提供了重要线索。

针对光电转化效率提升这一现象，本文进一步通过原子力显微镜（AFM）表征材料的表面粗糙度和层数，得到了材料在光吸收和载流子分离过程中的关键微观机理。AFM分析表明，该材料的表面均匀且缺陷较少，有利于载流子的迁移，从而有效提高了光电转化效率。

在此基础上，通过光致发光（PL）光谱和拉曼光谱等表征手段，深入探讨了材料的光学特性和声子行为。PL光谱的强度变化及峰位分析，揭示了材料在激发态下的载流子复合机制，进而挖掘了其优良的光电特性。这些结果表明，该材料在可见光范围内表现出显著的吸收能力，同时也具备良好的光致发光特性。

总之，经过系统的XRD、SEM、TEM、AFM及PL等多重表征，深入分析了新型二维材料的结构、形貌、光学性能等关键参数，进而制备出具有高效率的光电转换新材料。这些研究结果为开发新型光电器件提供了坚实的基础，推动了光电材料领域的进步和创新。

【图文速递】

图1：3TPYMB与钙钛矿相互作用的功能性。

图2. 3TPYMB对钙钛矿物理性质的影响。

图3. 具有(靶)和不具有(ST)3TPYMB的钙钛矿表征和相应光伏photovoltage，PV性能。

图4: ST和目标钙钛矿PSC的光电特性和操作稳定性评估。

【科学启迪】

本文通过优化前驱体溶液的配方及制备工艺，成功地提高了钙钛矿薄膜的质量和光电性能。这表明，材料的合成和处理过程对器件性能具有关键影响，未来的研究可以进一步探索不同成分及其比例对钙钛矿结构和性能的影响。其次，利用先进的光谱技术对钙钛矿界面特性进行了深入探讨，揭示了界面材料（如C60）对光电性能的显著作用，这为界面工程提供了新的思路。此外，通过电化学阻抗谱和瞬态光电流等技术的结合，深入分析了载流子动力学和缺陷态密度，明确了影响器件性能的主要因素。这些研究成果为开发更高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供了理论依据和实验指导，促进了新型光伏材料的应用，具有重要的学术价值和实际意义，为未来的研究和应用提供了广阔的前景。

原文详情：Zhu, H., Shao, B., Shen, Z. et al. In situ energetics modulation enables high-efficiency and stable inverted perovskite solar cells. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01542-8