近日，中國科學院合肥物質院固體所能源材料與器件制造研究部陳沖、王命泰研究員團隊在鈣鈦礦太陽電池研究方面取得新進展。研究人員首次提出了無機納米材料氧化調控有機空穴傳輸層2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD)的摻雜策略，使鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率提高到了24.5%，并且顯著提升了電池穩(wěn)定性。相關研究成果以“A nanomaterial-regulated oxidation of hole transporting layer for highly stable and efficient perovskite solar cells”為題，發(fā)表在Nano Energy (Nano Energy, 2024, DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109438)上。
 

　　在鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)中，spiro-OMeTAD是最關鍵的空穴傳輸層(HTL)材料，其形貌結構和光電性質顯著影響著太陽能電池的空穴傳輸和收集能力，也對外界環(huán)境中的水氧向鈣鈦礦活性層滲透起著重要的阻擋作用，因此，spiro-OMeTAD對電池的效率和穩(wěn)定性起著重要作用。為了提高spiro-OMeTAD的電荷輸運能力，通常需要摻雜雙三氟甲磺酰亞胺鋰(Li-TFSI)以介導氧氣與spiro-OMeTAD之間的反應產生更多的spiro-OMeTAD?+TFSI–自由基。但這種傳統(tǒng)的摻雜方法摻雜效率低，過量的Li-TFSI會殘留在spiro-OMeTAD薄膜中，導致薄膜形貌致密性和平整度以及薄膜的長期導電性變差；其次，氧化反應時長依賴于環(huán)境條件，通常需要10-24小時的時間才能達到合適的電導率和功函數(shù)，嚴重阻礙了鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展。
 

　　鑒于此，研究人員開發(fā)了一種可行的納米材料調控氧化策略，利用SnSO納米材料在前體溶液中將spiro-OMeTAD預氧化為spiro-OMeTAD?+TFSI–自由基以提高HTM的電導率、優(yōu)化與鈣鈦礦的能級位置，獲得了24.5%的光電轉換效率。此外，研究發(fā)現(xiàn)SnSO納米材料調控的spiro-OMeTAD HTL具有無針孔、均勻、光滑的形貌，即使在高溫高濕條件下，其性能和形貌仍然相當穩(wěn)定。另外，該氧化過程時間非常短(1-2小時)，有利于提升電池的商業(yè)化制備效率。該研究為進一步提升PSCs的效率和穩(wěn)定性提供了有效的策略，對推動PSCs商業(yè)化具有重要意義。
 

　　固體所-河南大學聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生靳夢琦為論文第一作者，固體所陳沖研究員、王命泰研究員及河南大學劉榮副教授為該論文的共同通訊作者。該工作主要得到了河南省科技攻關項目、國家自然科學基金和中國科學院合肥物質院院長基金等項目的資助。

 

　　圖.(a)該研究中采用的太陽能電池結構；(b)空穴傳輸材料中反應的示意圖；(c)spiro-OMeTAD溶液氧化過程中顏色變化的簡單示意圖；(d)基于傳統(tǒng)spiro-OMeTAD和預氧化spiro-OMeTAD:SnSO(在不同溫度下處理的SnSO納米材料)的PSCs的初始電流密度-電壓(J-V)曲線；(e)基于不同HTM的冠軍PSC的J-V曲線；在(f)50±10%的高濕度和(g)85±5°C的熱老化條件下，基于傳統(tǒng)和SnSO納米材料摻雜spiro-OMeTAD的未封裝PSCs的PCE跟蹤；(h)最大功率點的穩(wěn)態(tài)測試；(i)具有不同HTM的冠軍器件的IPCE光譜。