钙钛矿太阳能电池不断提高的能量转换效率对于光伏行业的发展具有重要意义。金属有机-无机杂化钙钛矿材料因其出色的光电性质成为钙钛矿太阳能电池的关键组成部分。然而，由于这类材料中不平衡的载流子扩散长度与提取速度，导致光生电子和空穴的复合，进而限制了光电转化效率的进一步提高。因此，平衡钙钛矿光伏器件中光生电子与空穴的分离提取效率对提升器件性能有着重要的意义。

在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的支持下，化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林研究员、乔雅丽研究员团队突破气泡演化过程中的奥斯瓦尔德熟化等局限，提出了一种气泡模板精准印刷分子图案与器件的新思路（Sci. Adv. 2023,9,eadf3567;Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60,16547;InfoMat 2022,4,e12323），利用气泡壁限域效应驱动分子或纳米材料受限组装的策略，在可控组装有序微纳结构及其性能研究方面取得了系列研究进展（J. Am. Chem. Soc. 2024,146,18104-18116;J. Am. Chem. Soc. 2023,145,2404-2413;Nano Energy 2021,89,106384）。气泡模板印刷方法通过将分子自组装与表界面纳米技术相结合，为分子纳微图案精准构筑与功能调控研究提供了一种高效、普适的研究平台。

近期，该团队利用气泡模板印刷微纳电荷传输界面，制备了高度与周期可控的SnO₂电子传输结构，并将其应用于钙钛矿太阳能电池的电子传输层。他们印刷制备了具有微纳结构电子传输界面的钙钛矿太阳能电池，实现了25.35%的光电转化效率，并结合理论模拟计算，系统研究了嵌入式的n型微纳结构对于激子传输与器件性能的影响规律。微纳结构界面还提供了钙钛矿薄膜的生长支架，改善了钙钛矿薄膜的形貌。载流子动力学分析表明，微纳结构的嵌入有效提升了光生电子的抽取速率与复合薄膜中的电子迁移率。同时，基于印刷微纳传输界面的钙钛矿光电探测器也表现出更优的器件性能。该工作展示了气泡模板可控组装有序微纳结构的普适性，并系统探究了微纳传输界面对于钙钛矿活性层的结晶与电荷输运等行为的调控规律，为构筑高效钙钛矿光伏器件提供了新的思路。

相关研究成果近期发表在Adv. Mater.2024, 2408448，第一作者为博士研究生杨永瑞，闵凡一、王依阳为共同第一作者，通讯作者是宋延林研究员、乔雅丽研究员和孟磊研究员。

通过气泡模板精准印刷微纳电子传输结构用于构筑高效钙钛矿光伏器件

绿色印刷院重点实验室

2024年10月15日