固體所基于納米材料氧化調(diào)控空穴傳輸層構(gòu)筑高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)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(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽電池研究方面取得新進(jìn)展。研究人員首次提出了無機(jī)納米材料氧化調(diào)控有機(jī)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(zhuǎn)換效率提高到了24.5%，并且顯著提升了電池穩(wěn)定性。相關(guān)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(guān)鍵的空穴傳輸層(HTL)材料，其形貌結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)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(yùn)能力，通常需要摻雜雙三氟甲磺酰亞胺鋰(Li-TFSI)以介導(dǎo)氧氣與spiro-OMeTAD之間的反應(yīng)產(chǎn)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(huì)殘留在spiro-OMeTAD薄膜中，導(dǎo)致薄膜形貌致密性和平整度以及薄膜的長期導(dǎo)電性變差；其次，氧化反應(yīng)時(shí)長依賴于環(huán)境條件，通常需要10-24小時(shí)的時(shí)間才能達(dá)到合適的電導(dǎo)率和功函數(shù)，嚴(yán)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(diào)控氧化策略，利用SnSO納米材料在前體溶液中將spiro-OMeTAD預(yù)氧化為spiro-OMeTAD•+TFSI–自由基以提高HTM的電導(dǎo)率、優(yōu)化與鈣鈦礦的能級位置，獲得了24.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，研究發(fā)現(xiàn)SnSO納米材料調(diào)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(dāng)穩(wěn)定。另外，該氧化過程時(shí)間非常短(1-2小時(shí))，有利于提升電池的商業(yè)化制備效率。該研究為進(jìn)一步提升PSCs的效率和穩(wěn)定性提供了有效的策略，對推動(dòng)PSCs商業(yè)化具有重要意義。
 

　　固體所-河南大學(xué)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(xué)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(guān)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院院長基金等項(xiàng)目的資助。

 

　　圖.(a)該研究中采用的太陽能電池結(jié)構(gòu)；(b)空穴傳輸材料中反應(yīng)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(yù)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(diǎn)的穩(wěn)態(tài)測試；(i)具有不同HTM的冠軍器件的IPCE光譜。