作為第三代新興光伏技術，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）近10年來能量轉換效率突飛猛進，經國際權威機構認證的效率高達25.5%，已接近單晶硅太陽能電池（26.7%）。憑借成本低廉、制備工藝相對簡單、可柔性化、弱光可發電等諸多優點，PSCs在光伏領域展現出了巨大應用前景，其發展受到各國學者和產業界的廣泛關注。當前，PSCs長期穩定性以及貴金屬電極材料產生的成本問題仍然是阻礙PSCs大規模應用的主要障礙。PSCs目前廣泛使用的Au/Ag等貴金屬電極除了價格昂貴外，還存在易與鈣鈦礦中的鹵素離子發生化學反應、進而被腐蝕的問題，降低了電池的長期穩定性。以廉價的碳電極取代貴金屬電極是提升PSCs穩定性并降低成本的有效策略，然而由于界面接觸、能級失配和電荷傳輸動力學遲緩等問題，碳基PSCs能量轉換效率一直處于相對較低的水平（絕大多數都不超過18%）。如何提升碳基PSCs能量轉換效率，是本領域亟待破解的難題之一。
圖1 Ti1-rGO的制備示意圖及其形貌結構表征近日，我校化工學院化學系史彥濤教授團隊聯合瑞士洛桑聯邦理工Michael Gr?tzel教授團隊及東南大學電子科學與工程學院朱超研究員，創新性地利用碳基負載金屬單原子電極材料Ti1/rGO，并結合一種更為先進的器件結構，有效調控了碳基C-PSCs光生載流子界面轉移/傳輸動力學，大幅減少了能量損失。以此為基礎制備的新型碳基PSCs能量轉換效率高達21.6%，遠高于本領域先前報道器件性能（絕大多數<18%）。更加可喜的是，未封裝器件在25℃和60℃分別連續照射工作1300 h（氮氣保護，1 sun）后，能量轉換效率依然保持初始值的98%和95%，展現出了優異的穩定性。
圖2 Ti1-rGO基C-PSCs的光電特性及穩定性本項研究為進一步推進PSCs產業化提供了重要思路，其創新之處在于，首次將結構明確的單原子材料（SAMs）應用于全固態光電器件領域。研究結果表明，當單原子Ti通過特定化學結構負載于還原氧化石墨烯（rGO）時，rGO的電子結構發生顯著變化，引起費米能級下降和功函數增大，使得Ti1/rGO與空穴傳輸層的能級更加匹配，有利于界面電荷轉移。其意義在于，不僅發展了一種調控碳材料電學特性的先進方法，同時深化了對碳材料化學結構與電學性能之間構-效關系的理解，更加拓展了SAMs的應用領域。其次，本項研究中所采用的器件結構為疊合式碳基PSCs，是一種可實現模塊化制備和組裝的新型光伏器件，能夠完全不依賴真空沉積技術，且可以使用廉價的電極材料，大幅降低了光伏器件設備和材料成本。更重要的是，這種新型器件結構實現了光生電荷縱向提取和橫向傳輸過程的解耦，從根本上解決了傳統碳基PSCs器件電荷轉移動力學能量損失過大的問題。
研究成果以“Ti1–graphene single-atom material for improved energy level alignment in perovskite solar cells”為題發表于能源領域知名期刊Nature Energy。該研究工作由校內外多個課題組共同完成，我校為第一作者和第一通訊單位，我校博士生張春陽為共同一作（排名第一）。本項研究的參與單位包括洛桑聯邦理工學院、東南大學、香港科技大學、廈門大學、中科院大連化學物理研究所。本項研究獲得了國家自然科學基金、“興遼英才計劃”項目、大連市科技創新基金、遼寧省中央引導地方科技發展資金等資助。原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00944-0
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