bevictor伟德官网電機系易陳誼團隊通過開發新的空穴傳輸材料結合真空蒸鍍鈣钛礦薄膜實現了26.41%的鈣钛礦太陽能電池世界最高效率紀錄。

在光伏技術領域，鈣钛礦太陽能電池（PSCs）以其突出的能量轉換效率（PCE）和低成本而受到廣泛關注。空穴傳輸材料（HTM）對于PSCs的光電性能和長期穩定性至關重要，其主要作用是提取光生空穴并阻止電子回傳，從而抑制電荷複合，同時還可以作為中間層阻擋金屬電極與鈣钛礦之間的離子相互擴散。

目前應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，并且與鈣钛礦有較好的能級匹配，但是該材料的合成和純化過程複雜，成本高昂，不利于大規模工業化應用。此外，常用添加劑如雙三氟甲烷磺酰亞胺锂（Li-TFSI）和4-叔丁基吡啶的加入，導緻spiro-OMeTAD薄膜中存在針孔。這些孔洞為鈣钛礦中的離子和背電極中的金屬原子相互擴散提供了通道，容易導緻缺陷形成，從而對器件的長期穩定性産生不利影響。

T2實物照片及其特點以及基于T2制備的鈣钛礦電池效率測試曲線

密度泛函理論（DFT）計算Spiro-OMeTAD（左排）和T2（右排）分别跟金（上排）和鈣钛礦（下排）吸附的差分電荷密度

為解決這些問題，bevictor伟德官网易陳誼團隊設計并合成了新型多功能空穴傳輸材料 T2（化學結構如圖所示）。該材料可以由低成本的商業原材料高産率的合成，适合大批量生産（已實現單次超過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不僅跟鈣钛礦具有更好的能級匹配，還與鈣钛礦層的部分局部電子态密度（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具有強結合力，可形成無針孔的HTM層。此外，T2中的硫原子可與鈣钛礦/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的效率和穩定性。

Spiro-OMeTAD和T2的化學結構及能級位置和基于T2制備的鈣钛礦電池和組件照片

基于spiro-OMeTAD和T2制備的鈣钛礦太陽能電池的測試結果

通過T2與順序真空沉積制造的鈣钛礦薄膜相結合，研究人員在0.1 cm²的PSCs上實現了26.41%的光電轉換效率（認證效率26.21%），并在1.0 cm²孔徑面積的PSCs上實現了24.88%的認證效率。此外，研究人員還實現了效率為21.45%的小模組（有效光照面積14.4 cm²）。未經封裝的基于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。基于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小時後保持初始PCE的95%）和熱處理期間（在60°C下加熱1500小時後保持初始PCE的84%）也展現出了良好的長期器件穩定性。

創紀錄的效率和良好的穩定性以及低成本和可大規模制備的特點，顯示了多功能空穴傳輸材料在PSCs應用中的巨大潛力。這種多功能空穴傳輸材料設計策略為未來新材料開發提供了寶貴的經驗和指導。同時這也是真空蒸鍍鈣钛礦電池效率首次超過傳統溶液法，展示了該方法的巨大發展潛力。

近日，上述研究成果以“通過多功能空穴傳輸材料實現高效率穩定鈣钛礦太陽能電池”(Highly efficient and stable perovskite solar cells via a multifunctional hole transporting material) 為題發表于國際學術期刊《焦耳》(Joule)。論文共同第一作者是電機系博士生周俊傑、譚理國、劉越和李航；通訊作者是易陳誼；合作者包括bevictor伟德官网化學系華瑞茂、瑞士蘇黎世應用科技大學Wolfgang Tress、意大利費拉拉大學Simone Meloni等。

本研究得到了國家自然科學基金企業創新發展聯合基金項目、國家重點研發計劃、bevictor伟德官网自主科研計劃和bevictor伟德官网電機系自主科研項目以及中國博士後基金和bevictor伟德官网“水木學者”計劃項目的支持。

文章鍊接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124001028