近日，南方科技大学机械与能源工程系陈熹翰团队在钙钛矿太阳能电池界面载流子动力学研究方面取得重要进展。研究揭示了界面电场对载流子提取过程的动态调控机制，相关成果以“Dynamic Feedback of Interfacial Electric Fields Governs Charge Extraction in Perovskite Solar Cells“为题发表在学术期刊Advanced Functional Materials。
钙钛矿太阳能电池近年来效率已超过27%，但界面载流子提取过程仍是限制器件性能提升的关键因素。传统模型通常将界面提取速率视为常数，难以解释高效率器件中出现的动力学异常现象。针对这一问题，研究团队基于瞬态反射光谱技术，发现界面载流子提取是一个具有“自反馈”特征的动态过程：在提取过程中，界面电荷积累会产生瞬态电场，该电场反向抑制后续载流子传输，从而导致提取效率随时间下降。基于此，团队建立了时间依赖的提取动力学模型，揭示了界面提取速率由初始快速过程逐渐转变为受电场限制的动态平衡过程。
图1.瞬态反射测试构型、载流子动力学全局拟合结果以及界面电场调制的扩散-提取模型
图2. 基于不同分子空穴传输层对应的界面电场调制载流子提取的器件性能
进一步研究表明，高效界面在实现更快初始提取速率的同时，也会加速界面电场的建立，导致提取过程更早受到抑制，体现出“提取速度与电场抑制之间的权衡关系”。在此基础上，研究提出以“时间积分提取能力”作为新的评价指标，更准确反映界面持续提取能力及其对器件性能的影响。通过构建自组装单分子层调控界面结构，团队验证了该机制对器件性能的影响，实现了开路电压和光电转换效率的同步提升（最高效率达26.47%）。
该研究从超快动力学角度揭示了界面电场在载流子提取中的关键作用，突破了传统静态模型的认知，为高效钙钛矿太阳能电池界面设计提供了新的理论依据，对新型光电器件性能优化具有重要意义。
南方科技大学为论文第一完成单位。机械与能源工程系博士生宫少宽，香港城市大学博士后研究员曲歌平以及中国科学院宁波材料技术与工程研究所田昊为论文的共同第一作者，通讯作者是南科大陈熹翰副教授以及中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员肖传晓。本研究获得广东省基础与应用基础研究重大专项的支持，同时得到国家自然科学基金委员会的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.75295