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(tuán)隊在反式鈣鈦礦太陽電池傳輸層優(yōu)化方面取得重要進(jìn)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(tuán)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(jìn)而拉低器件光電轉(zhuǎn)換效率，還會進(jìn)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(jìn)程的重要瓶頸。
鑒于此，研究團(tuán)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(jìn)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(tuán)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
