隨著全球可再生能源需求的迅速增長，太陽能光伏技術已成為應對能源危機與環境污染的關鍵解決方案。其中，鈣鈦礦太陽能電池因其具有高光電轉換效率、低材料成本及輕質結構等優勢，在太陽能光伏領域備受矚目。反式鈣鈦礦太陽能電池，相較于傳統的正式結構，加工工藝簡單、易于實現相對低溫制備、且耐候性更佳，因此受到學術及產業化的廣泛關注。近年來，通過界面工程等策略優化，反式鈣鈦礦太陽能電池的效率已突破26%。然而，現有界面自組裝單分子層(SAM)主要通過化學方式吸附在透明導電層(TCO)表面，當器件暴露于高溫或經歷熱循環沖擊時，分子層可能發生脫附或聚集，導致界面接觸惡化及載流子(空穴)傳輸受阻，最終顯著削弱器件的性能和穩定性。因而，開發更為穩定和高效的空穴選擇性接觸新材料體系對于進一步提升器件的熱穩定性，推動其產業化應用至關重要。 
為解決上述問題，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授團隊劉宇航教授等，設計了通過共價鍵連接的自組裝雙分子層結構。在傳統的小分子SAM材料體系的基礎上，通過傅-克烷基化反應形成了共價鍵連接的聚合物網絡體系。這類共價連接可以有效“錨定”吸附在透明導電基底上的小分子SAM層，顯著提高其耐高溫以及熱沖擊的穩定性。其上層獨有的面向取向分子排列表現出了與鈣鈦礦材料良好的黏附特性，從而提高了鈣鈦礦/空穴傳輸層的界面機械強度。通過該策略，研究團隊實現了第三方機構認證得到器件性能超過26%的光電轉化效率，所加工的實驗室級別鈣鈦礦太陽能電池器件通過了國際電工協會IEC61215:2016和國際有機光伏穩定性協會(ISOS)制定的行業標準：經過2000個小時濕熱穩定性測試，基于自組裝雙分子層的冠軍器件僅衰減原始效率的4%；同時經過1200個-40oC到85oC熱循環穩定性測試，其相比原始效率僅衰減3%。
圖a：自組裝雙分子層的結構示意圖 圖b：基于自組裝雙分子層的器件照片
近日，該研究成果以“Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses”(耐熱應力穩定的自組裝雙分子層鈣鈦礦太陽能電池)為題發表在國際能源領域頂級期刊“Nature Energy”(《自然能源》)上，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授、劉宇航教授、瑞士洛桑聯邦理工大學Michael Graetzel教授、華中科技大學李雄教授、尤帥博士為共同通訊作者。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為第一通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金和陜西省秦創原人才計劃項目的資助。論文的表征及測試得到了西安交通大學分析測試共享中心的支持。
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