【Angew.Chem.】 高效钙钛矿太阳能电池：能量匹配调控实现26.88%与21.87%效率

文章标题：Tuning Terminal Groups of Hole‐Selective Materials to Suppress Nonradiative Recombination in Inverted Perovskite Solar Cells
通讯作者：Yongzhen Wu
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.8473744

文章概要

引言

倒置结构钙钛矿太阳能电池（PSCs）因低成本与高效率而备受关注，但其性能受限于非辐射复合，尤其是界面能级不匹配所导致的载流子损失。传统研究多集中于表面缺陷钝化，而对界面能级偏移的影响探讨不足。本研究通过设计不同末端基团的空穴选择材料（HSMs），系统分析了能级匹配对非辐射复合的作用机制。

主要实验及结论

研究团队合成了六种基于氰基乙烯膦酸（CPA）的HSM分子，通过调控三苯胺末端基团的供电子能力，实现了对分子能级的精细调节。实验与理论计算表明，甲氧基与甲基取代基均能提升分子供电子能力，从而影响其最高占据分子轨道（HOMO）能级。

在1.53 eV与1.72 eV两种不同带隙的钙钛矿薄膜中，光致发光量子效率（PLQY）与Shockley-Read-Hall寿命的变化趋势与能级偏移高度一致。结果显示，正能级偏移过大或出现负偏移均会引入额外的非辐射损失，而最佳能级匹配可显著提升准费米能级分裂（QFLS）。其中，MePA-CPA在1.53 eV钙钛矿中实现了最低非辐射损失（0.059 eV），对应器件效率高达26.88%，开路电压达到1.204 V，占理论极限的95%。在1.72 eV钙钛矿中，Me/HPA-CPA表现最佳，效率达到21.87%，开路电压1.316 V，占理论极限的91%。

进一步的Kelvin探针力显微镜与紫外光电子能谱分析证实，末端基团的调控能够系统性改变界面功函数与能级排列，从而决定非辐射复合的程度。模拟结果也表明，能级偏移直接影响界面载流子复合速率与器件性能。

总结及展望

本研究首次系统揭示了倒置钙钛矿太阳能电池中界面能级匹配与非辐射复合之间的内在联系。通过分子设计实现能级精细调控，不仅获得了接近理论极限的高效率器件，还显著提升了器件的稳定性。未来，针对不同带隙钙钛矿材料，选择最优的空穴选择分子将成为提升效率与稳定性的关键策略。本成果为钙钛矿太阳能电池的分子工程设计提供了新的思路，也为实现更高效、更稳定的光伏器件奠定了理论与实验基础。