近日，南方科技大学材料科学与工程系讲席教授王湘麟课题组和化学系讲席教授夏海平课题组合作，在钙钛矿太阳能电池电极界面材料研究中取得重要进展，相关成果在化学与材料领域国际顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）在线发表，并被选为封面论文（front cover）。论文题目为“金属有机化合物用于调节反式钙钛矿太阳能电池电极功函（Tuning an electrode work function using organometallic complexes in inverted perovskite solar cells）”。该文章发表后，引起了国际同行的高度关注。Spotlights on Recent JACS Publications以“Organometallic Films Choose What They Let Through”给予了专题报道。

图1 《美国化学会志》论文封面

钙钛矿太阳能电池凭借其高光电转换效率及低器件制备成本，引起了人们的广泛关注。基于反式结构的钙钛矿电池可与成熟商业化的硅太阳能电池集成为叠层电池，更适合未来的商业化生产与应用，因此在近年来吸引了越来越多研究人员的目光。在反式钙钛矿器件中，用于收集电子的外接金属阴极往往使用易被氧化的活性金属（如：银、铜、铝等），大大降低了太阳能电池的稳定性。而稳定的金属具有较高的功函（图2中ΦM），当与传输电子的半导体接触时，金属与半导体之间的功函（ΦM一ΦETL）相差较多，在金属-半导体接触面形成肖特基势垒，阻碍了电子输运，使器件性能显著降低。电极修饰材料是一类在有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等光电器件中常被使用的界面材料，可以调节金属电极的功函。修饰后得到的低功函（图2中ΦM’）金属与传输电子的半导体接触时，会形成欧姆接触，促进电子输运，提高器件性能。但目前的电极修饰材料，对于直接使用稳定的、高功函的金属阴极（如：金）来说，仍然是个挑战。

图2 高/低功函金属电极与电子传输层接触前后的能级排布与电子输运示意图

研究者设计合成了多种（碳龙衍生类）金属有机化合物，揭示了该类材料能够大幅度降低金属功函的机理，并将其应用于反式钙钛矿太阳能电池的阴极界面层（图3）。研究发现，该类金属有机化合物化学组成中的阴离子和阳离子，能够在金属表面稳定地形成阴-阳离子层的空间偶极排布，将高功函（ΦM）的金属转化成低功函（ΦM’）的金属。最终，制备得到的太阳能电池获得了21.29%的光电转换效率和83.52%的填充因子。研究人员利用金属有机化合物建立的结构-性质-性能的关系，其应用包括但不限于钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池和薄膜晶体管等光电器件。

图3 金属有机化合物用于调节反式钙钛矿太阳能电池电极功函

2017级南科大-港科大联培博士生王建涛、南科大化学系博士后李金华和中山大学材料科学与工程系副教授周业成为论文共同第一作者，王湘麟、夏海平为论文通讯作者，南科大是论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省领军人才项目和深圳市学科布局项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c02118

Spotlights on Recent JACS Publications链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04602