2024年10月17日至19日，2024全国绿碳科学会议在青岛举行。国家杰出青年基金获得者、中国科学院长春应用化学研究所秦川江研究员应邀出席，并作题为“钙钛矿太阳能电池空穴传输与界面材料”的特邀报告。
钙钛矿太阳能电池空穴传输与界面材料
背景介绍
钙钛矿太阳能电池的效率与光激发载流子的复合过程密切相关，其中开路电压（Voc）源自载流子准费米能级的分裂，而表面和晶界的复合会影响电荷提取速率。钙钛矿与传输层界面处的载流子损失尤为严重。在本次特邀报告中，秦川江教授系统介绍了课题组在构建激基复合物界面和自组装界面材料方面的研究进展，提出通过分子设计改善界面接触、调控载流子输运和钙钛矿晶体生长，进而提高器件开路电压和光电转换效率。
秦川江研究员应邀在2024全国绿碳科学会议“太阳能转化利用专场”作特邀报告
报告内容介绍
1 钙钛矿与spiro-OMeTAD界面Voc损失严重
Spiro-OMeTAD是一种无定形的螺型有机材料，由于其与钙钛矿晶体的极性差异，导致与钙钛矿吸光层的接触不紧密，界面处存在大量缺陷态，这在一定程度上阻碍了载流子的有效提取。为解决这一问题，秦川江研究员团队通过构建激基复合物界面，优化了接触并促进了载流子输运，从而有效提升了钙钛矿太阳能电池的性能。团队采用膦酸酯取代苯并菲构建激基复合物界面，调控能级重排，有利于空穴抽取，使得Voc达到了1.65 eV，接近带隙理论极限的92%。
然而，苯并菲基材料的π平面结构导致其易发生π-π堆积，降低了与Spiro-OMeTAD之间形成激基复合物的概率。为进一步优化，秦川江研究员团队设计了膦酸酯取代螺二芴基的激基复合物界面。螺二芴的垂直平面结构和膦酸酯调控的偶极矩改善了分子间相互作用，交叉结构使其在溶液中形成较小且均匀分布的胶束粒径。膦酸酯具有更强的拉电子能力，增强了与受体的相互作用，导致光谱红移并增加寄生吸收，从而使单膦酸酯材料（sF-PE）具有更优异的性能。
sF-PE不仅具有更大的静电势和更强的偶极矩，还能实现更深的费米能级，从而加速了载流子的提取，显著减少了缺陷密度。界面修饰后，Voc达到了1.61 eV，接近带隙理论极限的95%。这一成果归功于螺二芴和磷氧基团的协同作用：螺二芴与Spiro-OMeTAD共同构建了激基复合物界面，有效促进了载流子的提取；而磷氧基团则钝化了钙钛矿表面未配位的Pb²⁺，显著降低了表面缺陷密度。
F-PE和sF-2PE的合成路线及电负性计算结果（Adv.Mater.2024,36,2313099）
2 卤-卤键调控FAPbBr₃钙钛矿低界面和结晶生长
甲脒铅溴化物（FAPbBr₃）钙钛矿作为一种宽带隙半导体材料，在半透明和串联太阳能电池领域展现出良好的应用前景。然而，光灭活的δ相（δ-FAPbBr₃）对薄膜和器件性能的影响机制仍不清楚，且相关研究较为稀缺。δ-FAPbBr₃的生长与底部界面性质密切相关。
在NiOx/2PACz界面处，由于较大的界面应力，δ-FAPbBr₃的生长较为显著。为此，秦川江研究员团队采用了碘取代SAM（I-2PACz）策略，通过碘与溴形成强力的卤卤键，I-Br键作为拉应力的释放点，从而改善了钙钛矿的结晶，并调控了α-FAPbBr₃的结晶动力学过程，增强了晶体的取向。此外，I-2PACz的大偶极矩有助于优化能级排列，加速空穴提取。最终，该策略使得钙钛矿太阳能电池实现了11.14%的光电转换效率，半透明器件的效率（PCE）达到了8.19%。
a）I-2PACz的分子结构；b）I-2PACz与溴阴离子形成卤素键示意图（Adv. Mater. 2024, 36, 2406872）
专家介绍
秦川江 研究员
秦川江，中国科学院长春应用化学研究所研究员、课题组长、博士生导师，国家杰出青年基金获得者、国家人才计划青年项目入选者，高分子物理与化学国家重点实验室副主任。2008年获得中国科学院长春应化所高分子化学博士学位，之后在香港浸会大学、日本国立物质材料研究所及九州大学从事博士后及研究工作。
秦川江研究员的研究方向主要集中在杂化半导体和有机光电材料及器件领域，已发表学术论文100余篇，其中作为第一作者或通讯作者的论文超过50篇，涉及的期刊包括Nature、 Nature Photonics、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、 Light Science & Applications等，论文总引用超过8000次。他主持了国家人才计划青年项目、中国科学院修购专项、国家自然科学基金面上项目，并参与了科技部国家重点研发计划项目。
秦川江研究员在杂化半导体发光机制、激射原理以及室温连续光泵浦钙钛矿激光方面的研究成果受到广泛关注，并被Physics World、EurekAlert、Phys.Org、ScienceDaily等学术网站及中国科学院官网报道和专题评述。他还曾在国际发光大会（ICL 2020）、国际光学工程大会（SPIE 2021）、第十二届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会、2021年全国硅基光电子材料与器件会议等国内外学术会议上做过30余次邀请报告。
原文链接
秦川江研究员与Green Carbon | 钙钛矿太阳能电池空穴传输与界面材料
Green Carbon
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