2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。欧洲科学院外籍院士、香港城市大学任广禹教授应邀出席，并作题为“A Holistic Approach of Developing Highly Efficient and Stable Perovskite Solar cells for Scalable Clean Energy”（可规模化应用的高效稳定钙钛矿太阳能电池整体解决方案）的主旨报告。
A Holistic Approach of Developing Highly Efficient and Stable Perovskite Solar cells for Scalable Clean Energy
（可规模化应用的高效稳定钙钛矿太阳能电池整体解决方案）
背景介绍
能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，能源低碳发展关乎人类未来。太阳能作为清洁、可持续的绿色能源具有巨大的发展潜力并在全球范围内得到了越来越广泛的应用。本次邀请报告中，任广禹教授首先分析了太阳能光伏技术在能源消费中的发展前景，随后介绍了课题组在以钙钛矿太阳能为代表的第三代新型光伏电池领域的研究进展：界面修饰、结晶形貌调控、组分工程、缺陷钝化、电荷传输材料以及封装材料设计等策略提升钙钛矿太阳能电池的性能，以满足商业化需要。
欧洲科学院外籍院士、香港城市大学任广禹教授应邀在“2024全国绿碳科学会议”作主旨报告
报告内容介绍
1 添加剂工程
· 多功能添加剂助力高质量钙钛矿薄膜制备
钙钛矿薄膜质量对提高钙钛矿太阳能电池的转换效率（PCE）和稳定性至关重要。任广禹教授课题组设计合成了一种多功能、非挥发性添加剂—4-胍基苯甲酸盐酸盐（GBAC）。将该分子引入钙钛矿前驱体溶液中能够形成氢键桥接的1D GBAC-PbI₂中间相，有效调控钙钛矿薄膜生长的动力学，实现更大尺寸的晶粒和更平滑的薄膜形貌。使用GBAC制备的器件除了具有出色的PCE和稳定性外，还展现出不同钙钛矿组分以及大面积薄膜制备的兼容性。
· 多功能氧化还原介质解决宽带隙钙钛矿
太阳能电池的卤化物偏析问题
宽带隙钙钛矿太阳能电池对制备叠层电池非常关键。然而卤化物偏析问题严重影响混合卤化物钙钛矿太阳能电池的工作稳定性，而卤化物氧化行为是导致其偏析关键问题。为此，任教授课题组开发了一系列基于蒽醌衍生物的多功能氧化还原介质（AQS）。其通过前驱体溶液引入钙钛矿层中，可以选择性地还原I₂并氧化金属Pb⁰，从源头上抑制卤化物偏析。相比于对照组器件，经AQS处理的器件实现了1.351 V的高开路电压，且显著增强了器件的稳定性。同时，基于AQS制备的钙钛矿-有机叠层电池实现了25.22%的高转化效率和增强的稳定性。
2 电荷传输材料设计
钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池常用的自组装分子（SAM）在分子结构上存在很强的通用性，任教授课题组设计了一系列高效的SAM分子并对SAM溶液加工处理以实现高效稳定的反式钙钛矿太阳能电池。2022年，课题组设计了萘基SAM分子（CbzNaph），分子中存在的螺旋结构增强了分子偶极矩，这将更有效地调节ITO功函并形成有序的1D线状组装体。以CbzNaph为空穴选择层（HSL）的器件实现24.1%的转化效率。
2023年，任教授课题组提出共溶剂策略调节SAM溶液中的分子团聚。DMF作为共溶剂用于分解在IPA溶液中形成的SAM胶束，实现了有序和致密的SAM薄膜。在钙钛矿/ HSL界面上形成了更好的能级对准并抑制电荷重组。共溶剂策略处理的器件获得了接近25%的转化效率。
近期，任教授课题组基于商业化SAM分子Me-4PACz，合成了新一代SAM分子Me-PhpPACz，该分子的连接基团使用刚性共轭的亚苯基取代柔性的丁基。实验结果和理论模拟表明，Me-PhpPACz具有更好的化学稳定性，并在分子组装过程中不易发生弯曲和折叠，这有助于形成高密度、有序的SAM膜。基于Me-PhpPACz制备的器件认证效率为26.12%，且展现出优于Me-4PACz基器件的稳定性。
随后，课题组提出最优化分子堆积的自组装多层膜（SAMUL）概念，以解决SAM层的润湿性和覆盖性差的问题。受到刚性连接基团和π体系扩展的启发，进一步设计了CbzNaphPPA分子。结果表明CbzNaphPPA分子的π共轭扩展提高了分子的固有稳定性以及显著改善的分子间相互作用，有利于空穴传输。SAMUL不仅可热蒸发和旋涂工艺制备，其上的钙钛矿薄膜的结晶质量显著改善，相关器件实现了优越的转化效率和稳定性。
3 封装材料设计
尽管钙钛矿太阳能电池的性能得到显著提升，器件保持长期运行稳定性并最大限度抑制铅泄露仍是商业化道路上面临的巨大挑战。任教授课题组开发了硫醇官能化缓冲材料以期解决电池稳定性和铅泄露问题。
研究发现，使用硫醇官能化的二维共轭金属有机骨架（2D-MOF）作为阻挡层制备的器件展现出优异的热稳定性——在沸水中放置24小时仍能保持完整的器件结构。2D-MOF中的硫醇官能团与金属电极形成的Ag-S键改善了电极材料与电子传输层的接触，这将有利于抵抗外界环境对器件腐蚀的不利因素。同时，硫醇基团还可以捕获钙钛矿降解中泄漏的Pb²⁺离子，通过形成不溶的Pb-MOF产物避免环境污染。任广禹教授指出，该方法同时解决了器件运行的不稳定性和铅污染问题，有望大大提升钙钛矿光伏技术大规模部署的可能性。
专家介绍
任广禹 教授
任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授是欧洲科学院外籍院士和华盛顿州立科学院院士。香港城市大学李兆基讲座教授（材料科学）、香港清洁能源研究院院长、化学系讲座教授及材料科学系讲座教授，在2016-2020年间担任香港城市大学副校长，引领校务发展。曾担任西雅图华盛顿大学波音-莊臣讲座教授与材料科学及工程系主任，以及先进材料及技术研究所所长，并获华盛顿州州长委任为清洁能源研究所首席科学家。专注于跨学科研究，范围涵盖光子学、能源、感应器及纳米医学等领域的功能材料和器件。2014-2023年连续被评为汤姆森路透“高被引用科学家”，2015及2016年获评为“全球最具影响力的科学头脑”。任广禹教授在钙钛矿光伏、有机光伏领域取得了系列杰出成果，因其巨大贡献被国际权威机构《泰晤士高等教育》评为钙钛矿太阳能电池领域世界领先的十位科学家之一。发表SCI研究论文1000余篇，获引用88000余次，H指数达153，授权专利63项，受邀演讲650多次。
原文链接
任广禹教授与Green Carbon | 可规模化应用的高效稳定钙钛矿太阳能电池整体解决方案
Green Carbon
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