清華新聞網(wǎng)3月18日電 近日，清華大學(xué)電機(jī)系易陳誼團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)新的空穴傳輸材料結(jié)合真空蒸鍍鈣鈦礦薄膜實(shí)現(xiàn)了26.41%的鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)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(duì)于PSCs的光電性能和長(zhǎng)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(shí)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(jí)匹配，但是該材料的合成和純化過(guò)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(duì)器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。
圖1.T2實(shí)物照片及其特點(diǎn)以及基于T2制備的鈣鈦礦電池效率測(cè)試曲線(xiàn)
圖2.密度泛函理論（DFT）計(jì)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(wèn)題，易陳誼團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)單次超過(guò)15克的合成），其原材料成本僅為常用spiro-OMeTAD價(jià)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(jí)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(qiáng)電荷提取能力，降低電壓損耗。T2與摻雜劑Li-TFSI具有強(qiáng)結(jié)合力，可形成無(wú)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(shí)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(xué)結(jié)構(gòu)及能級(jí)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(yáng)能電池的測(cè)試結(jié)果
通過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)了24.88%的認(rèn)證效率。此外，研究人員還實(shí)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(diǎn)跟蹤（MPPT）的T80為600小時(shí)，是spiro-OMeTAD基PSCs的4倍?；赥2的PSCs在存儲(chǔ)期間（在空氣條件下，相對(duì)濕度10%，未封裝存放2800小時(shí)后保持初始PCE的95%）和熱處理期間（在60°C下加熱1500小時(shí)后保持初始PCE的84%）也展現(xiàn)出了良好的長(zhǎng)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(diǎn)，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(jì)策略為未來(lái)新材料開(kāi)發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。同時(shí)這也是真空蒸鍍鈣鈦礦電池效率首次超過(guò)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(guò)多功能空穴傳輸材料實(shí)現(xiàn)高效率穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》(Joule)。
清華大學(xué)電機(jī)系2021級(jí)博士生周俊杰、譚理國(guó)、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)ぬ乩姿梗╓olfgang Tress）、意大利費(fèi)拉拉大學(xué)西蒙內(nèi)·梅洛尼（Simone Meloni）等。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和清華大學(xué)電機(jī)系自主科研項(xiàng)目以及中國(guó)博士后基金和清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124001028
供稿：電機(jī)系
題圖設(shè)計(jì)：韓羽臻
編輯：李華山
審核：郭玲
