近年來鈣鈦礦材料在光伏領域的潛力不斷被人們發掘，單結鈣鈦礦太陽能電池效率屢創新高。為進一步提高光電轉化效率，研究者進一步制備了一系列基于寬帶隙鈣鈦礦的疊層太陽能電池，比如鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池，鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池等。相較于其他種類的疊層太陽能電池，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池作為一種新興技術而備受關注。在鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池中，采用寬帶隙鈣鈦礦材料作為頂電池吸收短波長太陽光，采用窄帶隙有機活性層作為底電池吸收近紅外長波長太陽光，大幅拓寬可利用太陽光譜范圍并降低能量損失。同時，鈣鈦礦子電池可以過濾高能量光子以保護有機活性層、防止其光降解；有機子電池可以作為封裝層隔絕水氧，提升環境穩定性，同時疊層太陽能電池的中間透明電極層還可以緩解鈣鈦礦頂電池負極處離子擴散等問題，從而使鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池的穩定性優于單結鈣鈦礦和單結有機太陽能電池。另外，鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池也保留了可溶液制備太陽能電池的本征優勢。

開路電壓的提升是提高鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池效率的關鍵因素。在鈣鈦礦太陽能電池中，寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C60電子傳輸層界面處經常存在嚴重的界面復合，表面態誘導的導帶費米能級釘扎效應會造成電壓損失。為降低界面處的電壓損失從而提升太陽能電池效率，鈍化寬帶隙鈣鈦礦吸光層與C60電子傳輸層的界面是一種有效的策略。

在國家自然科學基金委、中國科學院先導項目和科技部重點研發計劃的支持下，化學所有機固體院重點實驗室李永舫/孟磊團隊在前期研究的基礎上，對鈣鈦礦/有機疊層太陽電池進行了深入研究。他們研究了具有順反異構特性的1,4-環己二胺分子對于寬帶隙鈣鈦礦表面的鈍化機制（圖1a），系統性的揭示了兩種順反異構的鈍化劑分子所導致的鈣鈦礦表面結構差異，最終篩選出擁有優勢構型的順式鈍化分子（cis-CyDAI2）。結合理論計算與X射線研究了順反兩種鈍化劑分子結構導致的鈣鈦礦表面結構差異，通過研究不同鈍化分子處理的鈣鈦礦薄膜的光致發光量子產率，提取得到了相應的準費米能級分裂（圖1b），發現cis-CyDAI2處理的鈣鈦礦薄膜有更高的理論開路電壓。進一步地，他們通過紫外光電子能譜與表面開爾文力顯微鏡等測試手段發現，cis-CyDAI2會導致寬帶隙鈣鈦礦表面費米能級上升，削弱表面釘扎效應，與電子傳輸層有更好的接觸。最終在具有1.88 eV帶隙的寬帶隙鈣鈦礦單結電池中獲得了 1.36 V的開路電壓與18.4%的光電轉換效率。該策略為寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池降低電壓損失提供了全新思路。

最終，他們結合窄帶隙有機材料底電池構建了鈣鈦礦/有機疊層太陽能電池（圖1c），獲得了26.4%的光電轉換效率（圖1d）（經第三方認證為25.7%），為目前報道的鈣鈦礦/有機疊層太陽電池的最高效率。相關研究成果近期發表在《自然》上（Nature.2024, DOI:10.1038/s41586-024-08160-y ），文章的共同第一作者為博士生蔣鑫和秦書誠博士，通訊作者為孟磊研究員、德國波茨坦大學Felix Lang教授以及化學所李永舫研究員。

圖1. (a) 鈣鈦礦鈍化劑CyDAI2化學結構 (b) 通過測試不同條件下薄膜的準費米能級分裂和器件的開路電壓總結的電壓損耗示意圖 (c) 鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池結構示意圖以及掃描電鏡截面圖 (d) 太陽能電池的電流密度-電壓曲線