近日，清華大學(xué)電機系易陳誼團(tuán)隊通過開發(fā)新的空穴傳輸材料結(jié)合真空蒸鍍鈣鈦礦薄膜實現(xiàn)了26.41%的鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率紀(jì)錄。

在光伏技術(shù)領(lǐng)域，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）以其突出的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）和低成本而受到廣泛關(guān)注�？昭▊鬏敳牧希℉TM）對于PSCs的光電性能和長期穩(wěn)定性至關(guān)重要，其主要作用是提取光生空穴并阻止電子回傳，從而抑制電荷復(fù)合，同時還可以作為中間層阻擋金屬電極與鈣鈦礦之間的離子相互擴(kuò)散。

目前應(yīng)用最廣的空穴傳輸材料2,2′，7,7′-四(N,N-二-p-甲氧基苯胺)-9,9′-螺旋雙芴（spiro-OMeTAD）雖然具有高效的空穴提取能力，并且與鈣鈦礦有較好的能級匹配，但是該材料的合成和純化過程復(fù)雜，成本高昂，不利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。此外，常用添加劑如雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（Li-TFSI）和4-叔丁基吡啶的加入，導(dǎo)致spiro-OMeTAD薄膜中存在針孔。這些孔洞為鈣鈦礦中的離子和背電極中的金屬原子相互擴(kuò)散提供了通道，容易導(dǎo)致缺陷形成，從而對器件的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖片:606FE4BAC8901B51B5B01942658_0F9ADEA4_40D4E.png

T2實物照片及其特點以及基于T2制備的鈣鈦礦電池效率測試曲線

為解決這些問題，易陳誼團(tuán)隊設(shè)計并合成了新型多功能空穴傳輸材料T2（化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖所示）。該材料可以由低成本的商業(yè)原材料高產(chǎn)率的合成，適合大批量生產(chǎn)（已實現(xiàn)單次超過15克的合成），其原材料成本僅為常用spiro-OMeTAD價格的三十分之一。相較于spiro-OMeTAD，T2不僅跟鈣鈦礦具有更好的能級匹配，還與鈣鈦礦層的部分局部電子態(tài)密度（LDOS）有所重疊，這有利于增強電荷提取能力，降低電壓損耗。T2與摻雜劑Li-TFSI具有強結(jié)合力，可形成無針孔的HTM層。此外，T2中的硫原子可與鈣鈦礦/HTM界面上未配位的鉛原子相互作用，不僅可以鈍化缺陷，還能抑制離子擴(kuò)散；同時硫原子還能與HTM/電極界面上的金屬原子配位，可有效抑制金屬的遷移；有利于提升PSCs的效率和穩(wěn)定性。

通過T2與順序真空沉積制造的鈣鈦礦薄膜相結(jié)合，研究人員在0.1cm²的PSCs上實現(xiàn)了26.41%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證效率26.21%），并在1.0cm²孔徑面積的PSCs上實現(xiàn)了24.88%的認(rèn)證效率。此外，研究人員還實現(xiàn)了效率為21.45%的小模組（有效光照面積14.4cm²）。未經(jīng)封裝的基于T2的器件的最大功率點跟蹤（MPPT）的T80為600小時，是spiro-OMeTAD基PSCs的4倍�；�于T2的PSCs在存儲期間（在空氣條件下，相對濕度10%，未封裝存放2800小時后保持初始PCE的95%）和熱處理期間（在60°C下加熱1500小時后保持初始PCE的84%）也展現(xiàn)出了良好的長期器件穩(wěn)定性。

創(chuàng)紀(jì)錄的效率和良好的穩(wěn)定性以及低成本和可大規(guī)模制備的特點，顯示了多功能空穴傳輸材料在PSCs應(yīng)用中的巨大潛力。這種多功能空穴傳輸材料設(shè)計策略為未來新材料開發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗和指導(dǎo)。同時這也是真空蒸鍍鈣鈦礦電池效率首次超過傳統(tǒng)溶液法，展示了該方法的巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

相關(guān)研究成果以“通過多功能空穴傳輸材料實現(xiàn)高效率穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池”（Highly efficient and stable perovskite solar cells via a multifunctional hole transporting material）為題，于近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》(Joule)。

清華大學(xué)電機系2021級博士生周俊杰、譚理國、劉越和李航為論文共同第一作者。易陳誼為論文通訊作者。合作者包括清華大學(xué)化學(xué)系華瑞茂、瑞士蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)沃爾夫?qū)�·特雷斯（Wolfgang Tress）、意大利費拉拉大學(xué)西蒙內(nèi)·梅洛尼（Simone Meloni）等。

研究得到國家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目、國家重點研發(fā)計劃、清華大學(xué)自主科研計劃和清華大學(xué)電機系自主科研項目以及中國博士后基金和清華大學(xué)“水木學(xué)者”計劃項目的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124001028