钙钛矿是目前最具前景的新型太阳能电池材料。基于钙钛矿的超高效太阳能电池被《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）评价为“2024年十大突破技术”。目前常用的铅钙钛矿太阳能电池已实现了较高的光电转换效率，但铅钙钛矿在环境友好性和光谱吸收范围方面还有所不足。
与铅钙钛矿相比，锡基钙钛矿具有较高的环境友好性以及更宽的光谱响应范围。近年来锡基钙钛矿太阳能电池以及基于锡基钙钛矿的叠层电池迅速成为一种极具前景的新型薄膜太阳能电池结构。然而，锡基钙钛矿中的二价锡离子容易发生氧化生成四价锡离子，导致薄膜中缺陷密度增加，从而限制了载流子的传输和扩散。这是目前阻碍锡基钙钛矿电池效率提升的关键症结。
近日，上海科技大学物质科学与技术学院宁志军教授团队提出了一种通过“拉电子型配体调控钙钛矿表面电子结构”的策略，利用配体的拉电子效应降低锡基钙钛矿的能级位置，类似于对此钙钛矿表面进行了“冷冻处理”，有效抑制了表面氧化反应。基于该锡基钙钛矿薄膜，团队最终制备的全钙钛矿叠层太阳能电池实现了27.3%的效率（认证效率26.9%）。该成果于1月12日在材料科学领域知名学术期刊《自然·能源》(Nature Energy)上在线发表。
拉电子型配体的表面钝化效应示意图
宁志军教授团队在研究中发现了“拉电子型配体调控钙钛矿表面电子结构”现象，并通过该方法有效降低了锡基钙钛矿的氧化。通过与物质科学与技术学院郑帆教授团队合作，采用理论计算验证了配体结构对于钙钛矿表面能带结构的影响，通过电化学表征的方法进一步验证了拉电子型配体有助于提高锡加合物的氧化电位。实验表明，引入拉电子型配体的锡基钙钛矿薄膜具有更低的缺陷密度，同时具有更高的发光强度和载流子寿命。通过和纪清清教授团队合作，构建场效应晶体管并进行电学测量，证明了调控之后的锡基钙钛矿薄膜具有更高的载流子迁移率。基于该薄膜，宁志军团队制备了窄带隙锡铅混合钙钛矿太阳能电池，进一步和宽带隙钙钛矿电池结合制备了全钙钛矿叠层太阳能电池，最终实现了27.3%的效率，是目前报道的最高效率之一。
在前期的工作中，宁志军课题组提出了通过低维结构较低氧化反应焓抑制锡钙钛矿氧化的概念，基于该设计理念开发了准二维结构锡基钙钛矿太阳能电池材料体系，该方法在锡基钙钛矿领域获得了广泛应用。该工作中拉电子型配体设计的提出为进一步抑制锡基钙钛矿氧化提供了简便可行的思路，为提升锡基钙钛矿太阳能电池的能量转换效率提供了一种高效的方法，对于其它锡基钙钛矿光电器件的发展也将起到推动作用。目前该工作已申请了发明专利。
这项论文的发表也充分体现了上科大研究团队之间高效的跨领域交叉合作，展现了学校先进科研平台的支撑水平。上海科技大学是该成果的唯一完成单位，宁志军课题组研究生虞丹妮、潘梦玲和刘高奇为共同第一作者，宁志军教授为通讯作者，郑帆教授和纪清清教授为共同作者。刘巍教授课题组和黄逸凡教授为材料的电化学测试和分析提供了帮助。上海科技大学分析测试中心、电镜中心、分析测试中心程佩红为材料分析测试提供了帮助。
论文名称：Electron-withdrawing organic ligand for high-efficiency all-perovskite tandem solar cells
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01441-2
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