近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所潘旭研究員團隊在反式鈣鈦礦太陽電池傳輸層優(yōu)化方面取得重要進展，實現(xiàn)了太陽電池器件效率與穩(wěn)定性的雙重突破。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Nature Materials上。
鈣鈦礦太陽電池的效率已逼近27%大關(guān)，成為新一代光伏技術(shù)的研究熱點。此前，合肥物質(zhì)院潘旭研究員團隊通過均質(zhì)化鈣鈦礦吸收層中的陽離子分布，為優(yōu)化吸收層提供了新思路(Nature 2023,624,557-563)。在鈣鈦礦太陽電池的器件結(jié)構(gòu)中，除核心的鈣鈦礦吸收層外，其兩側(cè)的半導(dǎo)體功能傳輸層對電荷分離與輸運起著關(guān)鍵支撐作用，直接影響器件的整體性能。其中，苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的電子傳輸層材料，然而該材料在光照、高溫等典型環(huán)境應(yīng)力作用下，易發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)并形成二聚體。這一變化不僅會導(dǎo)致材料電荷遷移率顯著下降、能帶結(jié)構(gòu)遭到破壞，進而拉低器件光電轉(zhuǎn)換效率，還會進一步誘發(fā)器件穩(wěn)定性衰減，成為制約鈣鈦礦太陽電池實用化進程的重要瓶頸。
鑒于此，研究團隊通過分析PCBM分子在鈣鈦礦不同表面終端的堆疊行為，發(fā)現(xiàn)PCBM的異質(zhì)化取向是導(dǎo)致其生成二聚體的主要原因之一,進而設(shè)計了PCBM前驅(qū)體添加劑2,3,5,6 -四氟-4-碘苯甲酸(FIBA)。通過與PCBM分子的多相關(guān)作用，引導(dǎo)其在鈣鈦礦表面有序堆疊，均質(zhì)化其取向，從而抑制環(huán)加成反應(yīng)所必須的反應(yīng)位點拓?fù)鋵R，抑制二聚體的生成。該方法制備的太陽電池實現(xiàn)了26.6%的實驗室級(~0.1cm2)器件效率、25.3%的單元面積(1cm2)器件效率和21.3%的大面積組件(762cm2)效率。此外，所構(gòu)筑的器件，在工況下的穩(wěn)定性同樣得到顯著提升，在高溫、高濕、持續(xù)光照的苛刻條件下，穩(wěn)定運行2000小時后仍能保持85%以上的初始性能。該工作為鈣鈦礦太陽電池的提效增穩(wěn)提供了可行的解決方案。
合肥物質(zhì)院固體所博士畢業(yè)生梁政、徐慧芬、碩士畢業(yè)生黃甄答、南方科技大學(xué)雷霞博士為論文共同第一作者。合肥物質(zhì)院葉加久副研究員、潘旭研究員、韓國成均館大學(xué)Nam-Gyu Park教授、深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)李競白教授以及香港科技大學(xué)(廣州)章勇教授為論文的共同通訊作者。合肥物質(zhì)院為論文的第一通訊單位。本工作得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委的支持。
責(zé)任編輯：陸迪
