清華新聞網3月18日電 近日，清華大學電機系易陳誼團隊通過開發(fā)新的空穴傳輸材料結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錄。
在光伏技術領域，鈣鈦礦太陽能電池（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(wěn)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，從而抑制電荷復合，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，并且與鈣鈦礦有較好的能級匹配，但是該材料的合成和純化過程復雜，成本高昂，不利于大規(guī)模工業(yè)化應用。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散提供了通道，容易導致缺陷形成，從而對器件的長期穩(wěn)定性產生不利影響。
圖1.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
圖2.密度泛函理論（DFT）計算Spiro-OMeTAD（左排）和T2（右排）分別跟金（上排）和鈣鈦礦（下排）吸附的差分電荷密度
為解決這些問題，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(yè)原材料高產率的合成，適合大批量生產（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。
圖3.Spiro-OMeTAD和T2的化學結構及能級位置和基于T2制備的鈣鈦礦電池和組件照片
圖4.基于spiro-OMeTAD和T2制備的鈣鈦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鈦礦薄膜相結合，研究人員在0.1cm2的PSCs上實現(xiàn)了26.41%的光電轉換效率（認證效率26.21%），并在1.0cm2孔徑面積的PSCs上實現(xiàn)了24.88%的認證效率。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(fā)提供了寶貴的經驗和指導。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)表于國際學術期刊《焦耳》(Joule)。
清華大學電機系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化學系華瑞茂、瑞士蘇黎世應用科技大學沃爾夫岡·特雷斯（Wolfgang Tress）、意大利費拉拉大學西蒙內·梅洛尼（Simone Meloni）等。
研究得到國家自然科學基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目、國家重點研發(fā)計劃、清華大學自主科研計劃和清華大學電機系自主科研項目以及中國博士后基金和清華大學“水木學者”計劃項目的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124001028
供稿：電機系
題圖設計：韓羽臻
編輯：李華山
審核：郭玲
